CN117002129A - 基于cvd与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法 - Google Patents

基于cvd与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法，涉及石墨烯技术领域，解决石墨烯/铜复合材料制备复杂，生产成本较高的技术问题。该装置包括顺次连接的第一卷绕机、CVD反应炉、卷绕辊压组合机和热压机；通过第一卷绕机得到铜箔多孔碳布卷绕品；CVD反应炉对铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长，得到石墨烯卷绕品；卷绕辊压组合机将石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并卷绕得到石墨烯/铜卷绕品；热压机将石墨烯/铜卷绕品进行热压处理，得到石墨烯/铜复合材料。本发明进行石墨烯/铜复合材料的生产制备操作更为简单，提高了生产连续性与一致性。

Description

基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法
技术领域
本发明涉及石墨烯材料技术领域，尤其涉及基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法。
背景技术
独特的二维结构赋予石墨烯优异的热学性能，单层石墨烯理论热导率可达5300W/(m·K)。但当层数达到十层及以上时，其热导率会降到1000W/(m·K)以下。因此，高质量单层石墨烯的制备尤为重要。化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)法被认为是最理想的能获得高品质单层石墨烯的制备方法。
目前CVD法生长石墨烯最具代表性的基底主要为Cu，通过在铜箔上生长石墨烯，然后进行多层热压可制备石墨烯/铜复合材料，但制备操作还较为复杂，生产成本较高。石墨烯/铜复合材料具有超高的导电性能，良好的力学性能和导热性能，广泛应用于电力电子传输领域，起到降低铜损耗、降低温升和提高效能的作用。
在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
石墨烯/铜复合材料的制备操作较为复杂，效率较低，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置及方法，以解决现有技术中存在的石墨烯/铜复合材料的制备操作较为复杂，效率较低，生产成本较高的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，包括顺次连接的第一卷绕机、CVD反应炉、卷绕辊压组合机和热压机；所述第一卷绕机对铜箔碳纤维布叠层进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品；所述CVD反应炉对送入的所述铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长，得到石墨烯卷绕品；所述卷绕辊压组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品；所述热压机将所述石墨烯/铜卷绕品进行热压处理，得到卷绕的石墨烯/铜复合材料。
优选的，所述卷绕辊压组合机替换为卷绕辊压切割组合机，所述卷绕辊压切割组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并按照预设尺寸进行切割，得到预设规格的石墨烯/铜复合层样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层样品进行叠层；所述热压机还能将叠层后的所述石墨烯/铜复合层样品进行热压处理，得到叠层的石墨烯/铜复合材料。
优选的，所述制备装置还包括热压模具，所述热压模具为石墨模具，用于容纳所述石墨烯/铜卷绕品或多层所述石墨烯/铜复合层样品，进行所述热压机的热压处理。
优选的，所述制备装置还包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂；所述第一机械臂将所述铜箔多孔碳布卷绕品送入所述CVD反应炉，所述第二机械臂将所述石墨烯卷绕品从所述CVD反应炉取出，并送入所述卷绕辊压组合机或卷绕辊压切割组合机，所述第三机械臂将所述石墨烯/铜卷绕品或石墨烯/铜复合层样品送入所述热压机，所述第四机械臂将所述热压机热处理得到的石墨烯/铜复合材料取出。
优选的，所述铜箔碳纤维布叠层中，所述铜箔的厚度为10～50μm。
优选的，所述CVD反应炉对所述铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长的厚度为1～10层。
优选的，所述CVD反应炉为CVD管式炉。
一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备方法，通过以上任一项所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置进行制备，包括以下步骤：
S100：将铜箔与碳纤维布相互重叠，形成所述铜箔碳纤维布叠层，所述卷绕机将所述铜箔碳纤维布叠层进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品，并放入所述CVD反应炉；S200：所述铜箔多孔碳布卷绕品在所述CVD反应炉进行石墨烯生长，使石墨烯在铜箔表面的覆盖率至少达到90％，得到所述石墨烯卷绕品，所述CVD反应炉冷却至室温后取出所述石墨烯卷绕品；S300：所述卷绕辊压组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品；或，所述卷绕辊压切割组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并切割得到预设规格的石墨烯/铜复合层样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层样品进行叠层；S400：将所述石墨烯/铜卷绕品或石墨烯/铜复合层样品送放入热压模具，并送入所述热压机，经热压处理得到石墨烯/铜复合材料，所述热压机冷却后，取出所述石墨烯/铜复合材料。
优选的，所述CVD反应炉进行石墨烯生长为在CH4气氛下加热至700℃～1000℃。
优选的，所述热压机的工作条件为：在50～300Mpa、300℃～950℃、真空或惰性气体保护气氛下，热压5～60分钟。
实施本发明上述技术方案中的一个技术方案，具有如下优点或有益效果：
本发明通过将第一卷绕机、CVD反应炉、卷绕辊压组合机或卷绕辊压切割组合机、热压机顺次连接布置，实现了流水线生产，使石墨烯/铜复合材料生产制备操作更为简单，提高了生产效率，降低了生产成本，提高了生产的连续性与一致性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图，附图中：
图1是本发明实施例一中的卷绕机与铜箔碳纤维布叠层的组合示意图；
图2是本发明实施例一中的CVD反应炉的结构示意图；
图3是本发明实施例一中的卷绕辊压切割组合机的结构示意图；
图4是本发明实施例一中的第一热压机的结构示意图；
图5是本发明实施例一中的第二热压机的结构示意图；
图6是本发明实施例二基于CVD法的石墨烯/铜复合材料制备方法的流程图；
图中：1、第一卷绕机；11、石墨棒；12、铜箔多孔碳布卷绕品；2、CVD反应炉；3、卷绕辊压切割组合机；31、石墨烯卷绕品；32、石墨烯铜箔；33、碳纤维布；34、第一卷绕机；35、第二卷绕机；36、辊压机；37、卷绕切割组合机；4、第一热压机；41、第一热压模具；42、石墨烯/铜卷绕品；5、第二热压机；51、第二热压模具；52、石墨烯/铜复合层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下文将要描述的各种示例性实施例将要参考相应的附图，这些附图构成了示例性实施例的一部分，其中描述了实现本发明可能采用的各种示例性实施例。除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。应明白，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的流程、方法和装置等的例子，还可使用其他的实施例，或者对本文列举的实施例进行结构和功能上的修改，而不会脱离本发明的范围和实质。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”等指示的是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的元件必须具有的特定的方位、以特定的方位构造和操作。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，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。术语“多个”的含义是两个或两个以上。术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体连接、机械连接、电连接、通信连接、直接相连、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。术语“和/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。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。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。
实施例一：
如图1-5所示，本发明提供了基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，包括顺次连接的第一卷绕机1、CVD反应炉2、卷绕辊压组合机(图中未画出)和热压机(此时对应第一热压机4)；第一卷绕机1对铜箔碳纤维布33叠层12进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品12；CVD反应炉2对送入的铜箔多孔碳布卷绕品12进行石墨烯生长，得到石墨烯卷绕品31；卷绕辊压组合机将石墨烯卷绕品31分离为石墨烯铜箔32和碳纤维布33，对石墨烯铜箔32铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层52，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品42；热压机将石墨烯/铜卷绕品42进行热压处理，得到卷绕的石墨烯/铜复合材料。本发明通过将第一卷绕机1、CVD反应炉2、卷绕辊压组合机和热压机顺次连接布置，实现了流水线生产，使石墨烯/铜复合材料生产制备操作更为简单，提高了生产效率，降低了生产成本，提高了生产连续性与一致性。
作为可选的实施方式，如图3所示，卷绕辊压组合机替换为卷绕辊压切割组合机3，卷绕辊压切割组合机3将石墨烯卷绕品31分离为石墨烯铜箔32和碳纤维布33(第一卷绕机34将石墨烯卷绕品31进行分离操作，第二卷绕机35再将分离出的碳纤维布33进行卷绕)，对铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层52(辊压机36进行辊压操作，平整化的石墨烯/铜复合层52更便于实际的应用场景进行使用)，并按照预设尺寸进行切割(卷绕切割组合机37对分离出的石墨烯铜箔32进行牵引，并进行切割，具体的切割尺寸可根据石墨烯/铜复合材料的应用场景设定)，得到预设规格的石墨烯/铜复合层52样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层52样品进行叠层；热压机还能将叠层后的石墨烯/铜复合层52样品进行热压处理，得到叠层的石墨烯/铜复合材料。卷绕的石墨烯/铜复合材料与叠层的石墨烯/铜复合材料可以适用不同的使用场景，卷绕的石墨烯/铜复合材料的长度可根据需要进行裁切，便于适用于不同的应用场景，叠层的石墨烯/铜复合材料长度相同，可用于同种应用场景，如作为同种电子产品的散热材料。当制备装置为卷绕辊压组合机时，卷绕切割组合机37替换为卷绕机，其他部分相同，从而得到卷绕的石墨烯/铜卷绕品42。
作为可选的实施方式，如图4-图5所示，制备装置还包括热压模具，热压模具为石墨模具，用于容纳石墨烯/铜卷绕品42或多层石墨烯/铜复合层52样品，进行热压机的热压处理。石墨模具的石墨材质不会对石墨烯/铜复合材料产生污染，便于得到质量更好的石墨烯/铜复合材料。具体而言，热压机包括第一热压机4和第二热压机5，分别对应石墨烯/铜卷绕品42和石墨烯/铜复合层52，第一热压机4通过第一热压模具41容纳石墨烯/铜卷绕品42，第二热压机5通过第二热压模具51容纳石墨烯/铜复合层52。
作为可选的实施方式，制备装置还包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂(图中均未画出，使用现有的机械臂进行抓取、吸附即可实现相应功能)。第一机械臂将铜箔多孔碳布卷绕品送入CVD反应炉2，第二机械臂将石墨烯卷绕品31从CVD反应炉2取出，并送入卷绕辊压组合机或卷绕辊压切割组合机3，第三机械臂将石墨烯/铜卷绕品42或石墨烯/铜复合层52样品送入热压机，第四机械臂将热压机热处理得到的石墨烯/铜复合材料取出。通过四个机械臂的辅助配合，从而整条产线可进行全自动化生产，进一步提高了石墨烯/铜复合材料的生产效率，降低生产成本，确保了石墨烯/铜复合材料的产品质量。
作为可选的实施方式，铜箔碳纤维布叠层中，铜箔的厚度为10～50μm，从而最后生产的石墨烯/铜复合材料也基本在这个厚度，便于将石墨烯/铜复合材料进行产业应用。
作为可选的实施方式，CVD反应炉2对铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长的厚度为1～10层，这个厚度范围兼顾了CVD反应炉2进行石墨烯生长的效果，以及最终得到的石墨烯/铜复合材料质量。
作为可选的实施方式，如图2所示，CVD反应炉2为CVD管式炉，便于实现更好的石墨烯生长效果，同时技术实现上也较为成熟，便于降低生产成本。
实施例仅是一个特例，并不表明本发明就这样一种实现方式。
实施例二：
本实施例提供一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备方法，通过实施例一中的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置进行制备，如图6所示，包括以下步骤。S100：将铜箔与碳纤维布相互重叠，形成铜箔碳纤维布叠层12，卷绕机将铜箔碳纤维布叠层12进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品，并放入CVD反应炉2。S200：铜箔多孔碳布卷绕品在CVD反应炉2进行石墨烯生长，使石墨烯在铜箔表面的覆盖率至少达到90％，得到石墨烯卷绕品31，CVD反应炉2冷却至室温后取出石墨烯卷绕品31。S300：卷绕辊压组合机将石墨烯卷绕品31分离为石墨烯铜箔32和碳纤维布33，对石墨烯铜箔32铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层52，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品42；或，卷绕辊压切割组合机3将石墨烯卷绕品31分离为石墨烯铜箔32和碳纤维布33，对铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层52，并切割得到预设规格的石墨烯/铜复合层52样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层样品进行叠层。S400：将石墨烯/铜卷绕品42或石墨烯/铜复合层52样品送放入热压模具，并送入热压机，经热压处理得到石墨烯/铜复合材料，热压机冷却后，取出石墨烯/铜复合材料。本发明提供的制备方法操作简单方便，自动化程度高，便于进行石墨烯/铜复合材料的大规模生产，同时还降低了石墨烯/铜复合材料的生产成本。
作为可选的实施方式，CVD反应炉2进行石墨烯生长为在CH4气氛下加热至700℃～1000℃，CH4作为碳源技术较为成熟，700℃～1000℃便于进行石墨烯生长。
作为可选的实施方式，热压机的工作条件为：在50～300Mpa、300℃～950℃、真空或惰性气体保护气氛下，热压5～60分钟，这个参数范围便于获取得到高质量的石墨烯/铜复合材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等同替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，包括顺次连接的第一卷绕机、CVD反应炉、卷绕辊压组合机和热压机；所述第一卷绕机对铜箔碳纤维布叠层进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品；所述CVD反应炉对送入的所述铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长，得到石墨烯卷绕品；所述卷绕辊压组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品；所述热压机将所述石墨烯/铜卷绕品进行热压处理，得到卷绕的石墨烯/铜复合材料。
2.根据权利要求1所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述卷绕辊压组合机替换为卷绕辊压切割组合机，所述卷绕辊压切割组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并按照预设尺寸进行切割，得到预设规格的石墨烯/铜复合层样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层样品进行叠层；所述热压机还能将叠层后的所述石墨烯/铜复合层样品进行热压处理，得到叠层的石墨烯/铜复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括热压模具，所述热压模具为石墨模具，用于容纳所述石墨烯/铜卷绕品或多层所述石墨烯/铜复合层样品，进行所述热压机的热压处理。
4.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述制备装置还包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂；所述第一机械臂将所述铜箔多孔碳布卷绕品送入所述CVD反应炉，所述第二机械臂将所述石墨烯卷绕品从所述CVD反应炉取出，并送入所述卷绕辊压组合机或卷绕辊压切割组合机，所述第三机械臂将所述石墨烯/铜卷绕品或石墨烯/铜复合层样品送入所述热压机，所述第四机械臂将所述热压机热处理得到的石墨烯/铜复合材料取出。
5.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述铜箔碳纤维布叠层中，所述铜箔的厚度为10～50μm。
6.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述CVD反应炉对所述铜箔多孔碳布卷绕品进行石墨烯生长的厚度为1～10层。
7.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置，其特征在于，所述CVD反应炉为CVD管式炉。
8.一种基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备方法，其特征在于，通过权利要求1-7中任一项所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备装置进行制备，包括以下步骤：
S100：将铜箔与碳纤维布相互重叠，形成所述铜箔碳纤维布叠层，所述卷绕机将所述铜箔碳纤维布叠层进行卷绕，得到铜箔多孔碳布卷绕品，并放入所述CVD反应炉；
S200：所述铜箔多孔碳布卷绕品在所述CVD反应炉进行石墨烯生长，使石墨烯在铜箔表面的覆盖率至少达到90％，得到所述石墨烯卷绕品，所述CVD反应炉冷却至室温后取出所述石墨烯卷绕品；
S300：所述卷绕辊压组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并再次卷绕得到石墨烯/铜卷绕品；或，所述卷绕辊压切割组合机将所述石墨烯卷绕品分离为石墨烯铜箔和碳纤维布，对所述石墨烯铜箔进行辊压得到平整化的石墨烯/铜复合层，并切割得到预设规格的石墨烯/铜复合层样品，并根据预设层数对石墨烯/铜复合层样品进行叠层；
S400：将所述石墨烯/铜卷绕品或石墨烯/铜复合层样品送放入热压模具，并送入所述热压机，经热压处理得到石墨烯/铜复合材料，所述热压机冷却后，取出所述石墨烯/铜复合材料。
9.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备方法，其特征在于，所述CVD反应炉进行石墨烯生长为在CH4气氛下加热至700℃～1000℃。
10.根据权利要求1或2所述的基于CVD与热压的石墨烯/铜复合材料制备方法，其特征在于，所述热压机的工作条件为：在50～300Mpa、300℃～950℃、真空或惰性气体保护气氛下，热压5～60分钟。
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