CN217455262U - 高导电石墨烯金属复合材料的规模化生产装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于导电复合材料制备设备技术领域，具体涉及一种高导电石墨烯金属复合材料的规模化生产装置。所述生产装置包括：密封腔室和用于向密封腔室通入气态碳源和工艺气体的气路机构，密封腔室内设置有上料区和高温区，高温区设置有对高温区加热，以使气态碳源裂解，并在金属基材上生长石墨烯的加热机构、用于将堆叠的石墨烯金属复合材料压制成型的压制机构和用于将石墨烯金属复合材料与隔层材料分离，并将石墨烯金属复合材料转运至压制机构处进行压制的转运机构。本实用新型中，所有工序均在同一密封腔室内完成，避免了接触外界空气导致的氧化等因素对石墨烯金属层状复合材料导电性能的不良影响。

Description

高导电石墨烯金属复合材料的规模化生产装置

技术领域

本实用新型属于石墨烯制备设备技术领域，具体涉及高导电石墨烯金属复合材料的规模化生产装置。

背景技术

近年来，机械、电子、轨道交通等获得了飞速发展，对宽温域高强、高导电(热)可成型材料的需求越来越大，然而，单质材料难以满足该方面的性能要求。

为解决单质材料无法满足宽温域高强、高导电(热)方面的性能要求，人们开发了复合材料。

金属铜具备以下优点：导热性强，导电性好，成形性优异，是制备复合材料的重要基体材料之一，铜基复合材料是金属复合材料领域的研究热点。

石墨烯是一种具有单原子厚度的二维碳原子平面层。石墨烯中，碳原子呈蜂窝状晶格排列。这种特殊结构赋予了石墨烯优异的电学(如低电阻率，约为10-6Ω·cm)、热学(如超高热导率，热导率约为铜的10倍)、光学(如较宽波段内光吸收约为2.3％)和力学(如高强度、高硬度)等方面特性。

目前，产业上主要采用化学气相沉积法制备石墨烯金属复合材料，即将金属基材置于高温可分解的碳源气氛中，通过高温加热使碳原子沉积于金属表面形成石墨烯。采用化学气相沉积法制备石墨烯金属复合材料，具备以下优点：石墨烯结晶完整度好，石墨烯的层数可控，时间短。

然而，采用现有装置生产石墨烯金属层状复合材料(如石墨烯金属复合板材)，制得的石墨烯金属层状复合材料的导电性能不佳。

实用新型内容

鉴于以上的缺点，本实用新型的目的在于提供高导电石墨烯金属复合材料的规模化装置，用于解决采用现有装置生产石墨烯金属层状复合材料(如石墨烯金属复合板材)，制得的石墨烯金属层状复合材料的导电性能不佳的技术问题。

发明人在研究石墨烯金属层状复合材料制备过程中发现，受到设备及生产条件的限制，现阶段生产石墨烯金属复合材料时，先石墨烯生长设备内在金属表面高温生长石墨烯，得到石墨烯包覆的石墨烯金属复合材料。此时，石墨烯对石墨烯金属复合材料的导电性提升效果不明显。将若干表面生长有石墨烯的金属基复合材料堆叠在一起，转移至另一设备内热压成型。然而，目前石墨烯金属复合材料制备也存在诸多问题，一方面，表面生长有石墨烯的金属基复合材料在包装、存储及运输过程中，会增加包装、存储和运输成本，最主要的是在存储过程中与石墨烯接触的金属表面会氧化，使石墨烯与金属直接有效接触面积减少，导致石墨烯对金属复合材料导电性能的提升降低；同时存储、运输过程中也会在石墨烯上表面引入杂质，进而对复合材料的性能造成不利影响。另一方面，在后期热压成过程中，又需要进行升温、降温过程，工序繁琐，花费工时长，产能低，造成能源不必要的浪费。

为解决以上问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：

本实用新型提供了一种石墨烯金属层状复合材料的生产装置，包括：

密封腔室和用于向密封腔室通入气态碳源和工艺气体的气路机构；

密封腔室内设置有上料区和高温区，高温区设置有对高温区加热，以使气态碳源裂解，并在金属基材上生长石墨烯的加热机构、用于将堆叠的石墨烯金属复合材料压制成型的压制机构和用于将石墨烯金属复合材料与隔层材料分离，并将石墨烯金属复合材料转运至压制机构处进行压制的转运机构。

本实用新型中，术语“金属”包括但不限于：铜或镍或铁或钴或铝或锡或钌或铱或铂或银或金或铜、镍、铁、钴、铝、锡、钌、铱、铂、银和金中的至少两种金属形成的合金。

本实用新型中，术语“工艺气体”包括但不限于：氢气、氮气和惰性气体中的一种或多种。

本实用新型中，术语“惰性气体”包括氮气、氦气、氖气、氩气等。

本实用新型中，术语“气态碳源”包括但不限于：甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种。

本实用新型中，术语“隔层材料”包括但不限于：碳纤维布、石墨纸和石英布中的一种或多种。

可选地，所述转运机构包括石墨烯金属复合材料转运机构和隔层材料转运机构。

可选地，所述密封腔室内还设置有收料区，所述上料区与高温区之间及高温区与收料区之间均设置有传送机构，所述传送机构用于将金属基材自上料区传送至高温区及将石墨烯金属层状复合材料自高温区传送至收料区。

可选地，所述压制机构采用铸压机。

可选地，所述生产装置还包括用于降低所述密封腔室内压力的抽真空机构。

如上所述，本实用新型提供的石墨烯金属层状复合材料的生产装置，具有以下有益效果：

(1)在同一密封腔室内完成石墨烯与金属基材复合、石墨烯金属复合材料堆叠和压制成型工序，石墨烯金属复合材料不会与外界空气接触，避免了石墨烯金属复合材料接触外界空气所导致的表面氧化及吸附杂质对导电性能的不良影响，进而提高了石墨烯金属层状复合材料的导电性。

(2)生产过程中，在同一密封腔室内完成石墨烯与金属复合、石墨烯金属复合材料原位堆叠和热压成型工序，无需反复升降温，避免了能源不必要的浪费，减少了包装、存储、运输等工序，缩短了工艺时间、减少了工时，提高了产能和效率。

(3)本实用新型能够实现石墨烯金属复合材料的连续性生产，提高了生产效率。

(4)本实用新型可以根据需求将金属基底处理与高品质石墨烯制备工艺分开进行，使金属基材和石墨烯薄膜都接近单晶化，提升金属基材、石墨烯薄膜品质的同时，提高石墨烯金属层状复合材料的导电性。

附图说明

图1为实施例1的石墨烯金属层状复合材料生产装置的示意图；

图2为实施例1的石墨烯金属层状复合材料生产装置的俯视图；

图3为金属基材-隔层材料堆的示意图；

图4为实施例2的石墨烯金属层状复合材料生产装置的示意图。

附图标记

1为密封腔室，2为加热机构，3为下铸压组件，4为石墨烯金属复合材料转运机构，5为隔层材料转运机构，6为传送机构，7为工艺气体气路机构，8为气态碳源气路机构，9为抽真空机构，10为隔层材料堆，11为金属基材-隔层材料堆，111为金属基材，112为隔层材料，12为流量阀，13为泄气阀。

具体实施例

以下通过特定的具体实例对本实用新型进行进一步的说明，下面将结合附图对本实用新型技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

本实用新型提供一种石墨烯金属层状复合材料的生产装置，包括：

密封腔室、用于向密封腔室内通入气态碳源和工艺气体的气路机构及用于降低密封腔室内压力的抽真空机构；

密封腔室内依次设置有上料区、高温区和收料区；上料区与高温区之间及高温区与收料区之间均设置有传送机构；

高温区设置有用于对高温区加热，以使气态碳源裂解并在金属基材表面生长石墨烯的加热机构、用于将石墨烯金属复合材料与隔层材料分离、并将石墨烯金属复合材料转运、堆叠至压制机构处的转运机构及用于将堆叠的石墨烯金属复合材料压制成型的压制机构；压制机构采用铸压机；转运机构包括石墨烯金属复合材料转运机构和隔层材料转运机构；

传送机构用于将金属基材自上料区传送至高温区及将石墨烯金属层状复合材料自高温区传送至收料区。

实施例1

如图1所示的石墨烯金属层状复合材料生产装置，包括：

密封腔室1、用于向密封腔室1内通入工艺气体的工艺气体气路机构7、用于向密封腔室1内通入气态碳源的气态碳源气路机构8和用于降低密封腔室1内压力的抽真空机构9；

密封腔室1内依次设置有上料区、高温区和收料区，上料区用于堆叠放置用隔层材料 (如碳纤维布、石墨纸和石英布中的一种或多种)隔开的若干金属基材(如铜或镍或铁或钴或铝或锡或钌或铱或铂或银或金或铜、镍、铁、钴、铝、锡、钌、铱、铂、银和金中的至少两种金属形成的合金)；上料区与高温区之间及高温区与收料区之间均设置有传送机构6，传送机构6用于将金属基材自上料区传送至高温区及将石墨烯金属层状复合材料自高温区传送至收料区，进而实现生产的连续性，提高生产效率；

高温区设置有加热机构2、用于将石墨烯金属复合材料与隔层材料分离、并将石墨烯金属复合材料转运、堆叠至压制机构处的转运机构及用于将堆叠的石墨烯金属复合材料压制成型的压制机构；

加热机构2用于对堆叠的金属基材进行加热，使气态碳源在高温及金属基材的催化作用下裂解，进而在金属基材表面生长石墨烯，得到石墨烯金属复合材料；加热机构2包括加热组件、温度传感器和温度控制器，加热组件用于对堆叠的金属基材进行加热，温度传感器用于监测密封腔室1内部环境的温度，温度控制器接收温度传感器的数据，并根据温度传感器的数据控制加热组件的开启和关闭。利用传感器检测信号并将相关信号传输至控制器，由控制器根据接收到的信号控制执行元件执行动作是现有技术，此处不再赘述；

压制机构采用铸压机，铸压机包括上铸压组件(未画出)和位于上铸压组件下方的下铸压组件3，上铸压组件和下铸压组件3均设置有温度控制器和压力控制器，通过温度控制器和压力控制器分别能够调节铸压机铸压过程中的温度和压力。铸压机为现有技术，与改进点无关，在此不再赘述；

转运机构包括石墨烯金属复合材料转运机构4和隔层材料转运机构5，石墨烯金属复合材料转运机构4和隔层材料转运机构5均设置于传送机构6的正上方或斜上方；石墨烯金属复合材料转运机构4和隔层材料转运机构5用于将石墨烯金属复合材料和隔层材料分离，石墨烯金属复合材料转运机构4还用于将石墨烯金属复合材料转运至压制装置处压制成型，石墨烯金属复合材料转运机构4还用于将压制成型的石墨烯金属层状复合材料转运至传送机构 6处，进而通过传送机构6将石墨烯金属层状复合材料输送至收料区收料；石墨烯金属复合材料转运机构4可以采用气吸式夹持机构(如吸盘)、气动式夹持机构(如气动式机械手)、液压式夹持机构或磁吸式夹持机构(如电磁吸盘)；隔层材料转运机构5可以采用气动式夹持机构(如气动式机械手)或液压式夹持机构；石墨烯金属复合材料转运机构4和隔层材料转运机构5可以采用同一个夹持机构，该夹持机构依次转运石墨烯金属和隔层材料；

通过石墨烯金属复合材料转运机构4可以将传送机构6上的石墨烯金属复合材料转运并叠放于铸压机的下铸压组件3上，随后通过上铸压组件和下铸压组件3能够将堆叠的石墨烯金属复合材料热压成型，接着通过石墨烯金属复合材料转运机构4将热压成型的石墨烯金属板材转运至传送机构6上，再通过传送机构6将石墨烯金属板材传送至收料区；传送机构 6可以采用传送带、托盘或同步带，传送带、托盘或同步带连接有动力源，动力源可以采用电机；

工艺气体气路机构7和气态碳源气路机构8连通密封腔室1的同一端，密封腔室1的另一端设置有泄气阀13；

工艺气体气路机构7设置有工艺气体存储容器及与工艺气体存储容器连通的工艺气体出气管路，工艺气体出气管路上设置有开关阀(未画出)和单向阀(未画出)，单向阀能够控制工艺气体由内向外的单向流动，避免气体向工艺气体存储容器内倒灌。工艺气体气路机构 7为现有技术，与改进点无关，此处不再赘述。连通密封腔室1与工艺气体气路机构7的管路上设置有流量阀12，流量阀12能够控制排出工艺气体存储容器的工艺气体(如氢气、惰性气体或二者的混合物)的流量；

气态碳源气路机构8设置有气态碳源存储容器及与气态碳源存储容器连通的气态碳源出气管路，气态碳源出气管路上设置有开关阀(未画出)和单向阀(未画出)，单向阀能够控制气态碳源由内向外的单向流动，避免气体向气态碳源存储容器内倒灌。气态碳源气路机构 8为石墨烯生长提供碳源，气态碳源气路机构8为现有技术，与改进点无关，此处不再赘述。连通密封腔室1与气态碳源气路机构8的管路上设置有流量阀12，流量阀12能够控制排出气态碳源存储容器的气态碳源(如甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种) 的流量；

泄气阀13用于在密封腔室1内气体气压达到预设值后，通过泄气阀13将密封腔室1内高于大气压的气体排出密封腔室1外，从而使进入、排出密封腔室1的气体达到动态平衡状态，以适应常压强条件下的工艺需要；

抽真空机构9包括真空泵及与真空泵连通的管路，管路上设置有开关阀和真空计，抽真空机构9为现有技术，与改进点无关，此处亦不再赘述。抽真空机构9可以快速将密封腔室1内压力抽至低真空状态，将工艺腔内的氧气和杂质抽出密封室1外，使密封腔室1处于洁净环境，避免在工艺过程中氧气或杂质的影响。

本实施例的装置的工作过程如下：

在密封腔室1内的传送机构6上堆放用隔层材料隔开的多层工业金属基材，得到金属基材-隔层材料堆11，其中，隔层材料112采用碳纤维布，金属基材111和隔层材料112的层数均为10层，最下层为隔层材料112，最上层为金属基材111，且隔层材料112的尺寸不小于金属基材111，隔层材料112能够避免金属基材111在高温作用下发生粘连，有利于生产的顺利进行；由于隔层材料112本身较为粗糙，其不会与金属基材111完全贴合，二者接触面存在空隙，这些空隙能够允许气态碳源进入接触界面金属基材111进而在金属基材111 表面生长石墨烯；

通过抽真空机构9将密封腔室1内环境抽至低真空度(如＜0.1Pa)后关闭抽真空机构，通过工艺气体气路机构7向密封腔室1内通入工艺气体(氢气、惰性气体或二者的混合物) 直至密封腔室1内压力处于常压，继续向密封腔室1内通入工艺气体，同时打开出泄气阀13，通过泄气阀13将密封腔室1内大于常压的多余气体排出，从而使密封腔室1内的进气与出气达到动态平衡，通过抽真空和工艺气体回填的方式可以使密封腔室1快速形成无氧环境；

启动加热机构2，对堆叠的金属基材111进行加热，金属基材111在高温作用下逐渐软化，金属基材111在高温条件下会进行再结晶，增大晶粒尺寸减少晶界；

随后通过气态碳源气路机构8向密封腔室1内通入气态碳源(如甲烷、乙烯、乙炔、一氧化碳和二氧化碳中的一种或多种)；

与此同时，由于隔层材料112本身较为粗糙，其不会与金属基材111完全贴合，二者接触面存在空隙，这些空隙能够允许气态碳源进入接触面处，并与金属基材111接触，气态碳源在高温及金属基材111的催化作用下裂解，生成的碳原子在金属基材111表面扩散、吸附，并形成石墨烯膜，得到石墨烯金属复合材料；

随后通过石墨烯金属复合材料转运机构4将传送机构6上最上层的石墨烯金属复合材料转运并叠放于铸压机的下铸压组件3上；然后通过隔层材料转运机构5将隔层材料112转运并置于传送机构6处；再次通过石墨烯金属复合材料转运机构5将堆放于传送机构6处的表面层石墨烯金属复合材料转运并叠放于铸压机的下铸压组件3上，如此循环数次，直至将所有的石墨烯金属复合材料转运并叠放于铸压机的下铸压组件3上，得到石墨烯金属复合材料堆叠层；

然后通过铸压机的上铸压组件和下铸压组件3将石墨烯金属复合材料堆叠层热压成型，得到石墨烯金属层状复合板材；

压制完成后，通过石墨烯金属复合材料转运机构4将石墨烯金属层状复合板材转运至传送机构6上，通过传送机构6将石墨烯金属层状复合板材传送至收料区收料。

本实施例制得的石墨烯金属层状复合板材，导电性能优异。石墨烯在金属基材111上生长、隔层材料112分离、石墨烯金属复合材料堆叠和将堆叠在一起的石墨烯金属复合材料压制成型工序在同一密封腔室内完成，在生产过程中，石墨烯金属复合材料不会与外界空气接触，避免了接触外界空气所导致的表面氧化及表面吸附杂质对石墨烯金属复合材料导电性能的不良影响及转运过程中引起的形变对石墨烯与金属基材之间的界面均匀性的不良影响，进而提高了石墨烯金属层状复合材料的导电性。

其次，生产过程中，在同一密封腔室内完成石墨烯与金属基材复合、石墨烯金属复合材料原位堆叠和压制成型工序，无需反复升降温，避免了能源不必要的浪费，减少了包装、存储、运输等工序，缩短了工艺时间、减少了工时，提高了产能和效率。

实施例2

本实施例与实施例1的不同之处在于：密封腔室1的另一端未连通泄气阀13。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种高导电石墨烯金属复合材料的规模化生产装置，其特征在于，包括：

密封腔室和用于向密封腔室通入气态碳源和工艺气体的气路机构；

密封腔室内设置有上料区和高温区，高温区设置有加热机构、压制机构和转运机构，所述转运机构包括石墨烯金属复合材料转运机构和隔层材料转运机构，所述压制机构采用铸压机。

2.如权利要求1所述的生产装置，其特征在于，所述密封腔室内还设置有收料区，所述上料区与高温区之间及高温区与收料区之间均设置有传送机构。

3.如权利要求1所述的生产装置，其特征在于，还包括抽真空机构。

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