CN114620533A - 一种张力控制机构及二维材料电解转移装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种张力控制机构及二维材料电解转移装置，涉及二维材料加工领域。张力控制机构包括第一主动辊、第二主动辊和驱动单元；第一主动辊与第二主动辊平行，片材依次绕设于第一主动辊和第二主动辊上；驱动单元与第一主动辊相连，以驱动第一主动辊以第一线速度旋转，驱动单元与第二主动辊相连，以驱动第二主动辊以第二线速度旋转及控制第二主动辊的转矩，且第二线速度大于第一线速度。由于第二线速度大于第一线速度，故位于第一主动辊与第二主动辊之间的片材张紧。驱动单元控制第二主动辊的转矩，即可稳定有效地控制片材上的张力，提升二维材料转移的均匀度，降低因张力波动产生的设备故障率，从而提升二维材料转移的成品率。
Description
技术领域
本发明涉及二维材料加工领域，尤其涉及一种张力控制机构及二维材料电解转移装置。
背景技术
二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度上自由运动(即平面运动)的材料，以石墨烯为代表。作为一种特殊的二维碳材料，石墨烯因其独特的电学、光学、力学、热学性质而备受关注，并在光学、热传导等领域有着广泛的应用前景。
目前，利用CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法可以在铜箔基底上大规模生产金属衬底石墨烯等二维材料。此后，二维材料往往需要转移到塑料薄膜基底上，才能更好地应用。
以石墨烯为例，其仅由一层碳原子构成，只有紧密依附在基底上才能稳定存在。然而，由于铜箔基底在厚度和密度方面的不均匀性，在CVD法生产二维材料的高温环境中，铜箔基底会因受热不均而发生不规则变形，导致其输送张力不稳定，进而导致石墨烯等二维材料无法紧密依附在目标基底上，为二维材料的转移带来了困难。
总而言之，现有的二维材料转移工艺效率低，缺陷多，很难形成大面积的二维材料，限制了二维材料的应用。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的之一是提供一种张力控制机构。
本发明提供如下技术方案：
一种张力控制机构，应用于二维材料电解转移装置，以控制片材上的张力，所述张力控制机构包括第一主动辊、第二主动辊和驱动单元；
所述第一主动辊与所述第二主动辊平行，所述片材依次绕设于所述第一主动辊和所述第二主动辊上；
所述驱动单元与所述第一主动辊相连，以驱动所述第一主动辊以第一线速度旋转，所述驱动单元与所述第二主动辊相连，以驱动所述第二主动辊以第二线速度旋转及控制所述第二主动辊的转矩，且所述第二线速度大于所述第一线速度。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，所述驱动单元包括驱动马达和磁粉离合器，所述驱动马达通过所述磁粉离合器与所述第二主动辊相连，且所述磁粉离合器电连接有磁粉控制器，以控制所述第二主动辊的转矩。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，所述驱动单元还包括驱动轴和传动轴；
所述驱动轴的一端与所述驱动马达的输出端相连，另一端与所述第一主动辊相连；
所述驱动轴通过同步带传动组与所述磁粉离合器的输入端相连，所述磁粉离合器的输出端通过齿轮传动组与所述第二主动辊相连。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，所述第二线速度与所述第一线速度之比为n，且1.001≤n≤1.003。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，还包括第一压辊和第二压辊；
所述第一压辊与所述第一主动辊相对设置，所述第一压辊用于将所述片材紧压于所述第一主动辊上；
所述第二压辊与所述第二主动辊相对设置，所述第二压辊用于将所述片材紧压于所述第二主动辊上。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，所述第一主动辊和所述第一压辊当中的至少一个设有加热器，以热压贴合形成所述片材。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，还包括第一压力调节件和第二压力调节件，所述第一压力调节件与所述第一压辊背向所述第一主动辊的一侧相抵，所述第二压力调节件与所述第二压辊背向所述第二主动辊的一侧相抵。
作为对所述张力控制机构的进一步可选的方案，所述第一主动辊和所述第一压辊当中的至少一个套设有柔性层。
本发明的另一目的是提供一种二维材料电解转移装置。
本发明提供如下技术方案：
一种二维材料电解转移装置，用于将金属基底上的二维材料转移至目标基底上，所述二维材料电解转移装置包括电解机构和上述张力控制机构。
作为对所述二维材料电解转移装置的进一步可选的方案，所述电解机构包括电解池、正极棒和负极棒；
所述电解池用于容纳碱性溶液；
所述正极棒和所述第二主动辊均位于所述电解池内；
所述负极棒与所述金属基底抵接。
本发明的实施例具有如下有益效果：
驱动单元驱动第一主动辊以第一线速度旋转，同时驱动第二主动辊以第二线速度旋转，且第二线速度大于第一线速度，从而使位于第一主动辊与第二主动辊之间的片材张紧。在此基础上，驱动单元控制第二主动辊的转矩，即可稳定有效地控制片材上的张力，提升二维材料转移的均匀度，降低因张力波动产生的设备故障率，从而提升二维材料转移的成品率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显和易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，做详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1示出了本发明实施例1提供的一种张力控制机构的正视图；
图2示出了本发明实施例1提供的一种张力控制机构的侧视图；
图3示出了本发明实施例2提供的一种张力控制机构的正视图；
图4示出了本发明实施例2提供的一种张力控制机构的侧视图；
图5示出了本发明实施例2中线速度差与片材平放时上下偏差的变化关系图；
图6示出了本发明实施例3提供的一种二维材料电解转移装置的正视图；
图7示出了本发明实施例3提供的一种二维材料电解转移装置的侧视图。
主要元件符号说明：
100-张力控制机构；110-第一主动辊；111-柔性层；120-第二主动辊；130-驱动单元；131-驱动马达；132-驱动轴；133-传动轴；134-第一同步带组；135-第二同步带组；136-磁粉离合器；137-齿轮传动组；140-第一压辊；150-第二压辊；200-电解机构；210-电解池；220-正极棒；230-负极棒；300-导向辊；400-铜箔基底；500-EVA/PET复合膜；600-片材；700-铜箔；800-石墨烯/EVA/PET复合膜。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在模板的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请一并参阅图1和图2，本实施例提供一种张力控制机构100，应用于二维材料电解转移装置，起到控制片材600上的张力的作用。张力控制机构100包括第一主动辊110、第二主动辊120和驱动单元130，且第一主动辊110、第二主动辊120和驱动单元130均架设在二维材料电解转移装置的机架上。
具体地，第一主动辊110与第二主动辊120平行，片材600依次绕设于第一主动辊110和第二主动辊120上。驱动单元130同时与第一主动辊110和第二主动辊120相连，驱动第一主动辊110以第一线速度旋转，驱动第二主动辊120以第二线速度旋转，并控制第二主动辊120的转矩。其中，第一主动辊110和第二主动辊120的旋转方向相同，且第二线速度大于第一线速度。
片材600绕过第一主动辊110和第二主动辊120，在片材600上存在张力的情况下，片材600与第一主动辊110之间、片材600与第二主动辊120之间均存在压力，此时第一主动辊110和第二主动辊120均可以通过静摩擦力带动片材600移动。
由于第二线速度大于第一线速度，故位于第一主动辊110与第二主动辊120之间的片材600进一步张紧。在此基础上，驱动单元130控制第二主动辊120的转矩，即可稳定有效地控制片材600上的张力，提升二维材料转移的均匀度，降低因张力波动产生的设备故障率，从而提升二维材料转移的成品率。
实施例2
请一并参阅图3和图4，本实施例提供一种张力控制机构100，应用于二维材料电解转移装置，起到控制片材600上的张力的作用。其中，二维材料电解转移装置先将目标基底与带有二维材料的金属基底热压贴合，形成片材600，然后使二维材料与金属基底分离，最后将金属基底与带有二维材料的目标基底分开，以此将金属基底上的二维材料转移至目标基底上。
具体地，张力控制机构100包括第一主动辊110、第二主动辊120、第一压辊140、第二压辊150和驱动单元130，片材600依次绕设于第一主动辊110和第二主动辊120上。
具体地，第一主动辊110与第二主动辊120平行，二者均转动架设在二维材料电解转移装置的机架上，并在驱动单元130的驱动下旋转。
片材600从第一主动辊110和第二主动辊120上绕过，在片材600上存在张力的情况下，片材600与第一主动辊110之间、片材600与第二主动辊120之间均存在压力，此时第一主动辊110和第二主动辊120均可以通过静摩擦力带动片材600移动。
具体地，第一压辊140转动架设在机架上，与第一主动辊110平行且相对。第一压辊140与片材600背向第一主动辊110的一侧相抵，将片材600紧压于第一主动辊110上。
第一压辊140能够增大片材600与第一主动辊110之间的压力，确保第一主动辊110能够稳定地通过静摩擦力带动片材600移动。
进一步地，机架上还设有第一压力调节件。第一压力调节件采用弹簧或者气缸，与第一压辊140背向第一主动辊110的一侧相抵，以调节片材600与第一主动辊110之间的压力。
进一步地，第一主动辊110和第一压辊140当中的至少一个设有加热器，将目标基底与带有二维材料的金属基底热压贴合形成片材600，兼具热压贴合机构的功能。
在本实施例中，加热器设置在第一主动辊110上。
进一步地，第一主动辊110和第一压辊140当中的至少一个套设有橡胶材质的柔性层111，以使目标基底和带有二维材料的金属基底在第一主动辊110与第一压辊140之间能够均匀受力，进而确保热压贴合质量。
在本实施例中，柔性层111套设在第一主动辊110上。
类似地，第二压辊150转动架设在机架上，与第二主动辊120平行且相对。第二压辊150与片材600背向第二主动辊120的一侧相抵，将片材600紧压于第二主动辊120上。
第二压辊150能够增大片材600与第二主动辊120之间的压力，确保第二主动辊120能够稳定地通过静摩擦力带动片材600移动。
进一步地，机架上还设有第二压力调节件。第二压力调节件同样采用弹簧或者气缸，与第二压辊150背向第二主动辊120的一侧相抵，以调节片材600与第二主动辊120之间的压力。
具体地，驱动单元130由驱动马达131、驱动轴132、传动轴133、第一同步带组134、第二同步带组135、磁粉离合器136、磁粉控制器和齿轮传动组137组成，传动轴133、第一同步带组134、第二同步带组135构成同步带传动组。
其中，驱动轴132与第一主动辊110同轴线设置。驱动轴132的一端通过联轴器与驱动马达131的输出端相连，另一端则与第一主动辊110相连。驱动马达131通过驱动轴132驱动第一主动辊110以第一线速度旋转。
传动轴133与驱动轴132平行，通过第一同步带组134与驱动轴132相连，同时通过第二同步带组135与磁粉离合器136的输入端相连，将来自驱动马达131的转矩传递至磁粉离合器136的输入端。磁粉离合器136与磁粉控制器电连接，磁粉离合器136的输出端通过齿轮传动组137与第二主动辊120相连。
在上述驱动单元130中，采用第一同步带组134、传动轴133和第二同步带组135，能够顺利地实现驱动轴132与磁粉离合器136之间的传动，减小驱动轴132的长度，使驱动单元130的结构更加紧凑，减少整个张力控制机构100占用的空间。
通过驱动轴132、第一同步带组134、传动轴133、第二同步带组135、磁粉离合器136和齿轮传动组137的传动，驱动马达131驱动第二主动辊120以第二线速度旋转。在此过程中，磁粉离合器136调节磁粉离合器136中激磁电流的大小，精确调节磁粉离合器136的输出转矩，以此控制第二主动辊120的转矩。
在本申请的另一实施例中，也可以使用伺服闭环控制机构替代驱动马达131对第二主动辊120进行驱动，直接控制第二主动辊120上的转矩。
特别地，使第二线速度大于第一线速度，从而使位于第一主动辊110与第二主动辊120之间的片材600进一步张紧。在此基础上，驱动单元130控制第二主动辊120的转矩，即可稳定有效地控制片材600上的张力，提升二维材料转移的均匀度，降低因张力波动产生的设备故障率，从而提升二维材料转移的成品率。
进一步地，除了通过控制第二主动辊120的转矩来控制片材600上的张力之外，还能通过控制第二线速度与第一线速度的差值来控制片材600上的张力。
在本实施例中，记第二线速度与第一线速度之比为n，则1.001≤n≤1.003，即第二线速度比第一线速度快0.1％-0.3％。第一线速度与第二线速度之间的差距可以通过调整第一主动辊110和第二主动辊120的直径来实现，也可以通过调整第一同步带组134、第二同步带组135和/或齿轮传动组137的传动比来实现。
片材600中承受张力的主体部分为铜箔，而用于生长二维材料的铜箔的厚度一般为20-50μm。使第二线速度比第一线速度快0.1％-0.3％，恰好适用于该厚度下的铜箔。
片材600在脱离高温环境并冷却至室温后，由于二维材料和铜的膨胀系数存在差异，会出现片材600不平整的情况。因此，为了完整地对二维材料进行转移，可以对片材600施加一定的张力，将片材600拉至相对平整。
对片材600进行试验，调整第二线速度与第一线速度之比，并测量片材600在平放状态下的上下偏差，试验结果如图5所示。其中，片材600中的铜箔厚度为30μm。
请参阅图5，第一线速度固定不变。当第二线速度与第一线速度相等(n＝1，线速度差为0，片材600中不存在张力)时，片材600在平放状态下的上下偏差为1.5mm。随着第二线速度与第一线速度之比的增加，片材600上的张力不断增加，片材600在平放状态下的上下偏差则快速减小。
其中，线速度差是指第二线速度与第一线速度的差值对第一线速度的比值。
特别地，当第二线速度与第一线速度的线速度差为0.1％时，片材600在平放状态下的上下偏差约为0.1mm，相比于线速度差为0时大幅减小。此时，二维材料以及能够较为顺利地依附在目标基底上。
此后，随着线速度差的继续增加，片材600在平放状态下的上下偏差继续缓慢减小，对二维材料的转移更加有利。
特别地，当第二线速度与第一线速度的线速度差为0.4％时，由于片材600上施加了过大的张力，完整的二维材料层发生破坏断裂，不能形成大面积且完整的二维材料。若线速度差进一步增大，则铜箔被整体拉裂断开，无法继续试验。
因此，本实施例所选用的线速度差为0.1％～0.3％，即1.001≤n≤1.003。
若采用更大的线速度差，则会出现铜箔上的张力过大，导致铜箔被拉断的情况，进而导致不能连续地进行二维材料的转移。若采用更小的线速度差，则不能将铜箔拉紧，在转移二维材料时，难以在目标基底上形成完整的二维材料层，导致二维材料的性能降低，限位二维材料的应用范围。
上述张力控制机构100的张力控制均匀性效果良好，张力的调整范围大，控制精度高，能够应用于变形的片材600和应用于特别薄的片材600，防止拉断片材600，能够良好地适应片材600，防止片材600表面的损坏。
实施例3
请一并参阅图6和图7，本实施例提供一种二维材料电解转移装置，用于将金属基底上的二维材料转移至目标基底上，其包括电解机构200、导向辊300和上述张力控制机构100。
在本实施例中，金属基底为铜箔基底400，二维材料为石墨烯，目标基底为EVA(乙烯-醋酸乙烯酯共聚物)与PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)复合而成的EVA/PET复合膜500。
具体地，电解机构200由电解池210、正极棒220和负极棒230组成。其中，电解池210用于容纳碱性溶液。正极棒220、第二主动辊120和第二压辊150均位于电解池210内，且电解池210内的液面高于第一主动辊110和第二压辊150的轴心。负极棒230架设在机架上，与铜箔基底400直接抵接。
具体地，导向辊300成对设置在电解池210的两侧，且高于第二主动辊120和第二压辊150。
使用时，带有石墨烯的铜箔基底400与EVA/PET复合膜500分别通过放卷进入第一主动辊110与第一压辊140的缝隙中，且石墨烯位于铜箔基底400朝向EVA/PET复合膜500的一侧。在加热温度100-120℃与压力的共同作用下，带有石墨烯的铜箔基底400与EVA/PET复合膜500黏合，形成前述片材600，具体为铜箔700/石墨烯/EVA/PET复合片材。
片材600向前输送至电解池210内，被碱性溶液浸没。在负极棒230与正极棒220电解水作用下，铜箔基底400表面产生氢气，形成气泡层，使石墨烯与铜箔700分离。片材600在第二主动辊120和第二压辊150压合处完成剥离，形成铜箔700与石墨烯/EVA/PET复合膜800，从而将石墨烯成功地转移至EVA/PET复合膜500上。铜箔700和石墨烯/EVA/PET复合膜800分别绕过两个导向辊300，收卷储存或者进入下一工序。
由于第二主动辊120的线速度略大于第一主动辊110的线速度，故能够确保片材600在进入电解池210之前形成张力，张力大小则取决于第二主动辊120上的转矩大小，即取决于磁粉离合器136中激磁电流的大小。
当磁粉离合器136中的激磁电流保持不变时，磁粉离合器136传递的转矩恒定。只需利用磁粉控制器调节激磁电流的大小，即可准确控制并传递所需转矩，从而稳定、有效地控制片材600上的张力，保证电解转移工艺稳定进行。
在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种张力控制机构，其特征在于，应用于二维材料电解转移装置，以控制片材上的张力，所述张力控制机构包括第一主动辊、第二主动辊和驱动单元；
所述第一主动辊与所述第二主动辊平行，所述片材依次绕设于所述第一主动辊和所述第二主动辊上；
所述驱动单元与所述第一主动辊相连，以驱动所述第一主动辊以第一线速度旋转，所述驱动单元与所述第二主动辊相连，以驱动所述第二主动辊以第二线速度旋转及控制所述第二主动辊的转矩，且所述第二线速度大于所述第一线速度。
2.根据权利要求1所述的张力控制机构，其特征在于，所述驱动单元包括驱动马达和磁粉离合器，所述驱动马达通过所述磁粉离合器与所述第二主动辊相连，且所述磁粉离合器电连接有磁粉控制器，以控制所述第二主动辊的转矩。
3.根据权利要求2所述的张力控制机构，其特征在于，所述驱动单元还包括驱动轴和传动轴；
所述驱动轴的一端与所述驱动马达的输出端相连，另一端与所述第一主动辊相连；
所述驱动轴通过同步带传动组与所述磁粉离合器的输入端相连，所述磁粉离合器的输出端通过齿轮传动组与所述第二主动辊相连。
4.根据权利要求1所述的张力控制机构，其特征在于，所述第二线速度与所述第一线速度之比为n，且1.001≤n≤1.003。
5.根据权利要求1所述的张力控制机构，其特征在于，还包括第一压辊和第二压辊；
所述第一压辊与所述第一主动辊相对设置，所述第一压辊用于将所述片材紧压于所述第一主动辊上；
所述第二压辊与所述第二主动辊相对设置，所述第二压辊用于将所述片材紧压于所述第二主动辊上。
6.根据权利要求5所述的张力控制机构，其特征在于，所述第一主动辊和所述第一压辊当中的至少一个设有加热器，以热压贴合形成所述片材。
7.根据权利要求5所述的张力控制机构，其特征在于，还包括第一压力调节件和第二压力调节件，所述第一压力调节件与所述第一压辊背向所述第一主动辊的一侧相抵，所述第二压力调节件与所述第二压辊背向所述第二主动辊的一侧相抵。
8.根据权利要求5所述的张力控制机构，其特征在于，所述第一主动辊和所述第一压辊当中的至少一个套设有柔性层。
9.一种二维材料电解转移装置，其特征在于，用于将金属基底上的二维材料转移至目标基底上，所述二维材料电解转移装置包括电解机构和如权利要求1-8中任一项所述的张力控制机构。
10.根据权利要求9所述的二维材料电解转移装置，其特征在于，所述电解机构包括电解池、正极棒和负极棒；
所述电解池用于容纳碱性溶液；
所述正极棒和所述第二主动辊均位于所述电解池内；
所述负极棒与所述金属基底抵接。
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