CN202297140U - 一种可连续制备石墨烯膜的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可连续制备石墨烯膜的装置，其包括炉体和传送带，所述炉体内设有冷却腔及反应腔，反应腔与冷却腔之间通过一贯通孔连通；反应腔的一端设有传送带入口，所述冷却腔的一端设有传送带出口，且传送带在反应腔和冷却腔移动时由贯通孔中通过；反应腔上设有反应气体进气口，且在反应腔设有对衬底加热的加热装置；冷却腔上设有冷却气体进气口和冷却气体出气口。本实用新型中，炉体的反应腔与冷却腔独立分开，且二者相互连通，传送带承载金属材质的衬底经反应腔形成石墨烯膜后进入冷却腔冷却，随着传送带的连续移动，金属材质的衬底不断与反应气体反应、冷却，从而实现石墨烯膜的连续不间断生产，大大提高了石墨烯膜的生产效率。

Description

一种可连续制备石墨烯膜的装置

技术领域

本实用新型涉及一种反应装置，更具体地说，是涉及一种可连续制备石墨烯膜的装置。

背景技术

石墨烯是2004年英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K.Geim)等发现的一种二维碳原子晶体，为单层或多层的极薄的碳材料。由于其具有独特的结构和光电性质而成为碳材料、纳米技术、凝聚态物理和功能材料等领域的研究热点。单层石墨烯拥有优良的导电、导热性能和低的热膨胀系数，并且其理论比表面积高达2630m2/g，可用于效应晶体管、电极材料、复合材料、液晶显示材料、传感器等。

目前制备石墨烯的方法主要有①剥离法，包括微机械剥离法和溶剂剥离法等；②生长法，包括晶体外延生长、取向附生法、化学气相沉积等；③氧化还原石墨法等等。其中，氧化还原法是目前最容易实现产业化的方法，然而此方法制备的石墨烯的缺陷多，质量差，未能充分发挥石墨烯的性能优势。

而采用化学气相沉积法制备的石墨烯，晶体结构相对完整，质量高，可用于透明电极、平板触摸屏等，应用前景广。化学气机沉积法原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应，生成一种新的材料沉积在衬底表面。采用化学气相沉积方法制备石墨烯时，将带有催化剂的衬底(金属材质的衬底或带材)放入反应装置中，向反应装置中通入反应气体，并提供合适的温度，这样反应气体在衬底上形成石墨烯膜，最后再将石墨烯膜进行纯化，去除催化剂，得到石墨烯。但是目前采用化学气相沉积法制备石墨烯时，生成的石墨烯膜面积小、且不能连续制备，效率低，因此也限制了石墨烯的应用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术之缺陷，提供一种可连续制备石墨烯膜的装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：提供一种可连续制备石墨烯膜的装置，包括炉体和承载有金属材质的衬底的传送带，所述炉体内设有冷却腔及反应腔，所述反应腔与所述冷却腔之间通过一贯通孔连通；所述反应腔的一端设有可容传送带进入的传送带入口，所述冷却腔的一端设有可容所述传送带输出的传送带出口，且所述传送带在所述反应腔和冷却腔移动时由所述贯通孔中通过；所述反应腔上设有反应气体进气口，且在所述反应腔设有对所述衬底加热的加热装置；所述冷却腔上设有冷却气体进气口和冷却气体出气口。

具体地，所述贯通孔的截面大小与所述传送带的截面大小相适配。

具体地，所述贯通孔与所述传送带入口、所述传送带出口的截面形状及尺寸大小一致。

进一步地，所述反应气体进气口处设有第一散流结构。

具体地，所述反应腔上设有一具有中空腔室的第一基座，所述第一基座上设有与所述中空腔室连通的第一连接管，所述反应气体进气口为所述第一连接管的端口，所述第一散流结构为设于所述第一基座内且贯通所述反应腔的腔壁的若干均匀分布的第一散流孔。

进一步地，所述冷却气体进气口处设有第二散流结构。

具体地，所述冷却腔上设有一具有中空腔室的第二基座，所述第二基座上设有与该中空腔室连通的第二连接管，所述冷却气体进气口为所述第二连接管的端口，所述第二散流结构为设于所述第二基座内且贯通所述冷却腔的腔壁的若干均匀的第二散流孔。

进一步地，所述冷却气体出气口处设有第三散流结构。

具体地，所述冷却腔上设有一具有中空腔室的第三基座，所述第三基座上设有与该中空腔室连通的第三连接管，所述冷却气体出气口为所述第三连接管的端口，所述第三散流结构为设于所述第三基座内且贯通所述冷却腔的腔壁的若干均匀的第三散流孔。

具体地，所述加热装置为电加热管或加热炉。

本实用新型中，炉体的反应腔与冷却腔独立分开，且二者相互连通，传送带承载金属材质的衬底经反应腔形成石墨烯膜后进入冷却腔冷却，随着传送带的连续移动，金属材质的衬底不断与反应气体反应、冷却，从而实现石墨烯膜的连续不间断生产，大大提高了石墨烯膜的生产效率。

附图说明

图1是本实用新型提供的可连续制备石墨烯膜的装置的一较佳实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中可连续制备石墨烯膜的装置的剖视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1、图2，本实用新型提供的可连续制备石墨烯膜的装置，包括炉体100，炉体100上设有反应腔200、冷却腔300，反应腔200与冷却腔300相互独立，二者之间通过一贯通孔500连通；炉体内还设有一承载有金属材质的衬底(图中未标号)的传送带400，反应腔200的一端设有传送带入口210，冷却腔300的一端设有传送带出口330，传送带400与传动机构(图中未示出)的带动下，由所述传送带入口210进入反应腔200、经过贯通孔500、冷却腔300，最后由传送带出口330出来；反应腔200上设有反应气体进气口220，反应腔200还设有对衬底加热的加热装置(图中未示出)；冷却腔300上设有冷却气体进气口310及冷却气体出气口320。本实施例中，传送带400由传送带入口210进入炉体100的反应腔200内，反应气体由反应气体进气口220进入反应腔200，通过加热装置加热反应腔200，在高温条件下，反应气体在金属材质的衬底上形成石墨烯膜并随传送带400继续移动至冷却腔300，通过冷却气体进气口310向冷却腔300通入冷却气体，冷却后的石墨烯膜随传送带400由传送带出口330中出来，冷却后的废气由冷却气体出气口320中排出。本实施例中，炉体100的反应腔200与冷却腔300独立分开，且二者相互连通，传送带400承载金属材质的衬底经反应腔200形成石墨烯膜后进入冷却腔300冷却，随着传送带400的连续移动，金属材质的衬底不断与反应气体反应生成石墨烯膜并冷却，从而实现石墨烯膜的连续不间断生产，大大提高了石墨烯膜的生产效率。

参照图2，本实施例中，连通反应腔200及冷却腔300的贯通孔500的孔径小于反应腔200及冷却腔300的腔体内径。这样，有效避免连通的反应腔200及冷却腔300之间的相互干扰，使两腔体内的反应可独立进行。

进一步地，作为本实用新型的一技术方案，贯通孔500与传送带400的截面大小相适配，这样，在便于传送带400由贯通孔500经过的前提下，也最大限度地通过上述大小的贯通孔500将反应腔200及冷却腔300隔开，避免二腔体内反应的相互干扰。同时，进一步地，贯通孔500与传送带入口210、传送带出口330的截面形状及尺寸一致。具体地，由图1中可以看出，传送带入口210与传送带出口330的截面形状均为长方形。本实施例中，长方形尺寸为50mm*50mm，传送带入口210与传送带出口330的轴向深度均为50mm。传送带400在移动时，经由传送带入口210、贯通孔500及传送带出口330，故将贯通孔500与传送带入口210、传送带出口330的截面形状及尺寸设计为一致，方便传送带400的移动，同时也方便了加工。

本实施例中，反应腔200具体为一长管状结构。由反应气体进气口220进入到反应腔200的反应气体具体为甲烷，为了使甲烷由反应气体进气口220进入后能均匀分布于反应腔200，从而保证甲烷与传送带400的均匀接触，本实施例中，于反应气体进气口220处设有第一散流结构。

具体地，反应腔200上设有第一基座230，第一基座230为沿反应腔200长度方向设置的长方形罩体。所述长方形罩体与反应腔200的腔壁围合后具有中空腔室231，第一基座230上设有与中空腔室231连通的第一连接管240，反应气体进气口220为第一连接管240的端口，上述的第一散流结构为设于第一基座230内且贯通反应腔200的腔壁的若干均匀分布的第一散流孔250。本实施例中，反应气体即甲烷由第一连接管240进入中空腔室231后，沿中空腔室231内的均匀分布的第一散流孔250进入反应腔200内。且由于第一基座230为沿反应腔200长度方向设置，第一散流孔250也沿反应腔200的长度方向均匀排列，故甲烷通过第一散流孔250后也均匀分布于反应腔200内，从而可与沿反应腔200长度方向移动的金属材质的衬底均匀发生反应。

同样地，冷却气体进气口310处设有第二散流结构，使得冷却气体均匀分布于冷却腔300内。冷却腔300上设有一具有中空腔室341的第二基座340，第二基座340上设有与该中空腔室314连通的第二连接管350，冷却气体进气口310为第二连接管350的端口，第二散流结构为设于第二基座340内且贯通冷却腔300的腔壁的若干均匀的第二散流孔360。此处，第二基座340及第二散流孔360的结构、作用同第一基座230及第一散流孔250，此处不作赘述。

同样地，为了使冷却后的废气快速排出，冷却气体出气口320处设有第三散流结构。冷却腔300上设有一具有中空腔室371的第三基座370，第三基座370上设有与该中空腔室371连通的第三连接管390，冷却气体出气口320为第三连接管390的端口，第三散流结构为设于第三基座370内且贯通冷却腔300的腔壁的若干均匀的第三散流孔380。此处，第三基座370及第三散流孔380的结构也与第一基座230及第一散流孔250相同，此处亦不作赘述。

本实施例中，带动传送带400的移动的传动机构是传动辊(图中未示出)。传动辊为至少为两个，分别设于传送带入口210的一侧以及传送带出口330的另一侧，这样，在两侧传动辊的带动下，传送带400向前移动。各传动辊直径相同，转动速度相同，保证了传送带400的匀速前进。当然，也可采用其它传动方式如滚轮传动，带轮传动的方式来连续移动传送带400。

优选地，本实施例中，加热装置可为电加热管或加热炉。

对于本实用新型提供的装置，其制备石墨烯膜的具体操作过程如下：

1、将第一连接管240、第二连接管350分别与气体发生装置连接，将第三连接管390与外部储气罐连接，将传动辊上的传送带400依次穿过传送带入口210、贯通孔500以及传送带出口330；

2、本实施例中，传送带400与传送带入口210及传送带出口330之间具有空隙，为避免工作时，炉体内的气体由空隙中释放，采用挡板将传送带入口210及传送带出口330处的空隙挡住，只留传送带400的空间即可；

3、向反应腔200及冷却腔300通入氩气500sccm，30分钟后，加热反应腔至950℃，然后通入甲烷50sccm，3分钟后启动传动辊，传动辊转动动速度为100mm/min；

4、约6分钟后，表面覆盖有石墨烯膜的传送带400从传送带出口330出来；

5、将表面覆盖有石墨烯膜的传送带400剪下，用1M FeCl3把金属材质的衬底刻蚀，再将石墨烯膜收集，便得到石墨烯膜。

综上，本实施例中，将反应腔200与冷却腔300分隔开，并使二者相互连通，采用移动的金属材质的衬底来生成、承载石墨烯，形成石墨烯膜，最后由传送带出口330中移出。在这整个过程中，实现了石墨烯膜的连续生产，其制备量与反应气体流量、传动辊转速等有关。上述石墨烯膜的制备装置，结构简单，操作方便，只要保证反应气体、衬底充足，即可连续生产大面积的石墨烯膜，大大提高了石墨烯膜的生产效率，为其广泛应用作出贡献。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：包括炉体和承载有金属材质的衬底的传送带，所述炉体内设有冷却腔及反应腔，所述反应腔与所述冷却腔之间通过一贯通孔连通；所述反应腔的一端设有可容传送带进入的传送带入口，所述冷却腔的一端设有可容所述传送带输出的传送带出口，且所述传送带在所述反应腔和冷却腔移动时由所述贯通孔中通过；所述反应腔上设有反应气体进气口，且在所述反应腔设有对所述衬底加热的加热装置；所述冷却腔上设有冷却气体进气口和冷却气体出气口。

2.如权利要求1所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述贯通孔的截面大小与所述传送带的截面大小相适配。

3.如权利要求1或2所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述贯通孔与所述传送带入口、所述传送带出口的截面形状及尺寸大小一致。

4.如权利要求1所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述反应气体进气口处设有第一散流结构。

5.如权利要求4所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述反应腔上设有一具有中空腔室的第一基座，所述第一基座上设有与所述中空腔室连通的第一连接管，所述反应气体进气口为所述第一连接管的端口，所述第一散流结构为设于所述第一基座内且贯通所述反应腔的腔壁的若干均匀分布的第一散流孔。

6.如权利要求1所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述冷却气体进气口处设有第二散流结构。

7.如权利要求6所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述冷却腔上设有一具有中空腔室的第二基座，所述第二基座上设有与该中空腔室连通的第二连接管，所述冷却气体进气口为所述第二连接管的端口，所述第二散流结构为设于所述第二基座内且贯通所述冷却腔的腔壁的若干均匀的第二散流孔。

8.如权利要求1所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述冷却气体出气口处设有第三散流结构。

9.如权利要求8所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述冷却腔上设有一具有中空腔室的第三基座，所述第三基座上设有与该中空腔室连通的第三连接管，所述冷却气体出气口为所述第三连接管的端口，所述第三散流结构为设于所述第三基座内且贯通所述冷却腔的腔壁的若干均匀的第三散流孔。

10.如权利要求7所述的可连续制备石墨烯膜的装置，其特征在于：所述加热装置为电加热管或加热炉。

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