CN102976318B - 卷对卷石墨烯制备设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种卷对卷石墨烯制备设备，包括密闭的真空室；所述真空室内设有用于驱动石墨烯生长箔带运动的辊系，所述辊系包括用于石墨烯生长箔带导向的驱动辊、用于在石墨烯生长箔带上生长石墨烯的生长辊和石墨烯制备完成后用于收卷石墨烯生长箔带的收卷辊；所述真空室内与所述生长辊对应设有用于加热石墨烯生长箔带的加热装置，沿着所述石墨烯生长箔带运动方向，所述生长辊后设有用于冷却生长有石墨烯的石墨烯生长箔带的快速冷却装置；所述真空室内设有用于通入石墨烯制备所需气体的气路系统，且真空室外设有用于对所述真空室抽真空的真空泵组。本发明的卷对卷石墨烯制备设备能够实现石墨烯的快速、连续和大规模产业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种石墨烯生产设备，具体的为一种可快速、连续和大规模产业化制备石墨烯的卷对卷石墨烯制备设备。
背景技术
石墨烯是碳原子基于sp2杂化组成的六角蜂巢状结构，且仅一个原子层厚的二维晶体。虽然单层石墨烯是2004年才首次在实验中由机械剥离石墨获得，但由于其独特的性质引起了无数科研工作者的研究兴趣，并在过去的短短几年里得到了广泛的研究。而Andre Geim和Konstantin Novoselov也因在石墨烯方面的开创性工作而获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是目前世界上最薄也是最硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，在全波段仅吸收约2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，超过碳纳米管和硅晶体，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银的更低，是目前世上电阻率最小的材料。由于石墨烯是集超高机械强度、良好导热性、高光学透明度和超强导电性等优异性质于一体的新型材料，它不仅适合基础物理研究，如分数量子霍尔效应、室温下整数量子霍尔效应等，而且在显示、能源、探测、光电子等领域具有广阔的应用前景，如分子探测器、热导/热界面材料、场发射源、超级电容器、太阳能电池、石墨烯锂电池、场效应晶体管及集成电路、透明导电电极等等。石墨烯的应用研究具有极大的市场前景，它将给众多研究领域带来革命性的转变，如：用石墨烯超级电容制成的锂电池可实现1分钟快速充电，且可实现大功率、高效率的放电，这不仅打破了传统锂电充电缓慢的限制，也将为电动汽车行业的推广与发展，而且还对环境的保护，绿色能源的发展提供了新的机遇；石墨烯场效应晶体管的性能将远超过硅晶体管，由于石墨烯电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管，因为石墨烯与硅有很好的兼容性，所以将来有望替代整个硅基工业；石墨烯透明导电电极不仅具有良好的导电性质及高的透光性，还表现出很好的柔韧性和机械强度，性能优于目前市场上常用的氧化铟锡透明电极，而且成本低，对环境无污染，此外，柔性透明导电电极也是下一代透明电极的发展趋势。
如何快速大规模制备出大面积、高质量的石墨烯，是众多应用领域产业化中面临的关键科学与技术问题。经过近几年的广泛研究，目前已经发展出若干制备石墨烯的方法，如机械剥离法、外延生长法、化学还原氧化石墨法、化学气相沉积法（CVD）等，这些石墨烯制备方法大都可以在特定条件下获得实验室用的石墨烯样品，但是，快速制备大面积、高质量石墨烯的方法一直没有取得突破，极大地限制了石墨烯制备的效率、产量和成本，阻碍了其进一步的产业化发展。
虽然目前韩国采用大型CVD设备已经制备出了30英寸（对角线约76cm）的石墨烯薄膜，但受设备的限制，制备工艺上仍是制备结束一次后再重新装样制备下一次，还无法实现大面积、高质量石墨烯的连续、快速制备。
鉴于此，本发明针对目前连续制备大面积、高质量石墨烯的技术难题，而探索一种卷对卷连续制备大面积、高质量石墨烯的设备。采用该设备制备石墨烯，相对于现有方法具有快速、连续的优点，可以进行大面积、高质量石墨烯的规模化生长，这将对石墨烯的众多应用及其产业化起到极大的推进作用，对新型纳米材料、纳米集成电子器件、信息、能源等战略领域产生深远的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提出一种卷对卷石墨烯制备设备，该卷对卷石墨烯制备设备能够实现石墨烯的快速、连续和大规模产业化生产。
要实现上述技术目的，本发明的卷对卷石墨烯制备设备，包括密闭的真空室；
所述真空室内设有用于驱动石墨烯生长箔带运动的辊系，所述辊系包括用于石墨烯生长箔带导向的驱动辊、用于在石墨烯生长箔带上生长石墨烯的生长辊和石墨烯制备完成后用于收卷石墨烯生长箔带的收卷辊；
所述真空室内与所述生长辊对应设有用于加热石墨烯生长箔带的加热装置，沿着所述石墨烯生长箔带运动方向，所述生长辊后设有用于冷却生长有石墨烯的石墨烯生长箔带的快速冷却装置；
所述真空室内设有用于通入石墨烯制备所需气体的气路系统，且真空室外设有用于对所述真空室抽真空的真空泵组。
进一步，所述快速冷却装置后设有保护层压制装置，所述保护层压制装置包括至少一对相互配合并用于向所述石墨烯生长箔带压制石墨烯保护层的压辊。
进一步，所述生长辊采用石英材料制成，所述驱动辊、收卷辊和压辊为外周壁镜面抛光的金属辊或表面光滑的胶锟。
进一步，所述石墨烯生长箔带为铜箔，所述驱动锟、生长辊和收卷辊上设有用于驱动驱动锟、生长辊和收卷辊以相同切速度转动的驱动机构。
进一步，所述保护层压制装置上设有用于测量所述压辊之间对压压力的压力传感器及压力控制器。
进一步，所述石墨烯保护层为热释胶带层。
进一步，所述辊系采用连续制动或脉冲式制动方式驱动所述石墨烯生长箔带运动。
进一步，所述加热装置为与所述生长辊同轴设置的弧形加热装置，所述快速冷却装置为液氮冷却装置或水冷却装置，所述加热装置和快速冷却装置上均设有温度传感器。
进一步，所述真空泵组由机械泵与分子泵组成。
进一步，所述真空室内设有用于测量真空度的真空计。
本发明的有益效果为：
本发明的卷对卷石墨烯制备设备通过设置密闭的真空室为石墨烯生长提供所需的真空环境，真空室内设置的气路系统能够向真空室内通入石墨烯生长所需的气体，通过设置辊系驱动石墨烯生长箔带运动，位于生长辊上的石墨烯生长箔带由加热装置加热至石墨烯生长所需温度，并在该段石墨烯生长箔带上生长石墨烯，石墨烯生长完成后被辊系驱动运动至快速冷却装置处被冷却至常温，最后由收卷辊收卷完成石墨烯制备；
因此，在辊系的驱动作用下，石墨烯生长箔带可连续不断运行至生长辊处加热生长石墨烯，然后经冷却后收卷，能够满足石墨烯的快速、连续和大规模产业化生产需求。
2、通过设置保护层压制装置，在石墨烯生长箔带收卷前，可在石墨烯生长箔带上生长有石墨烯的一侧压制一层石墨烯保护层，有利于保护已经生长好的石墨烯，防止石墨烯在收卷和运输过程中受到损伤。
3、石墨烯生长箔带为铜箔，而石墨烯的生长条件为1000℃左右，若直接采用外力强拉动铜箔运动，则可能导致在高温下的铜箔断裂，无法实现连续生产，本发明通过在驱动锟、生长辊和收卷辊上设置以相同切速度驱动驱动锟、生长辊和收卷辊运动的驱动机构，能够有效驱动铜箔运动而不会导致铜箔断裂，进而实现石墨烯连续生产。
附图说明
图1为本发明卷对卷石墨烯制备设备实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
如图1所示，为本发明卷对卷石墨烯制备设备实施例的结构示意图。本实施例的卷对卷石墨烯制备设备，包括密闭的真空室1，真空室1内设有用于驱动石墨烯生长箔带2运动的辊系，辊系包括用于石墨烯生长箔带2导向的驱动辊3、用于在石墨烯生长箔带2上生长石墨烯的生长辊4和石墨烯制备完成后用于收卷石墨烯生长箔带2的收卷辊5。驱动辊3根据实际需要可设置为多根，在石墨烯生长箔带3运动过程中起着导向和驱动作用，本实施例的驱动辊3设置为2根。收卷辊5上设有用于驱动收卷辊5转动的驱动装置，并为石墨烯生长箔带2的运动提供动力。真空室1内设有用于安装卷有石墨烯生长箔带2的盘卷11的安装轴，当然，驱动辊3上也可设置驱动装置驱动石墨烯生长箔带2运动。
真空室1内与生长辊4对应设有用于加热石墨烯生长箔带2的加热装置6，沿着石墨烯生长箔带2运动方向，生长辊4后设有用于冷却生长有石墨烯的石墨烯生长箔带2的快速冷却装置7，通过设置快速冷却装置7，可使高温的石墨烯生长箔带2瞬间冷却至常温，有助于石墨烯成膜质量的提高，并使得后续制备进程快速连续地进行。
真空室1内设有用于通入石墨烯制备所需气体的气路系统8，且真空室1外设有用于对真空室1抽真空的真空泵组9，真空泵组9能够对真空室1抽真空，并使真空室1在石墨烯制备过程中保持恒定的真空度。
本实施例的卷对卷石墨烯制备设备通过设置密闭的真空室1为石墨烯生长提供所需的真空环境，真空室1内设置的气路系统8能够向真空室1内通入石墨烯生长所需的气体，通过设置辊系驱动石墨烯生长箔带2运动，位于生长辊4上的石墨烯生长箔带2由加热装置6加热至石墨烯生长所需温度，并在该段石墨烯生长箔带2上生长石墨烯，石墨烯生长完成后被辊系驱动运动至快速冷却装置7处被冷却至常温，最后由收卷辊5收卷完成石墨烯制备。因此，在辊系的驱动作用下，石墨烯生长箔带2可连续不断运行至生长辊4处加热生长石墨烯，然后经冷却后收卷，能够满足石墨烯的快速、连续和大规模产业化生产需求。
进一步，快速冷却装置7后设有保护层压制装置10，保护层压制装置10包括至少一对相互配合并用于向石墨烯生长箔带2压制石墨烯保护层的压辊，本实施例的保护层压制装置10设有一对压辊，通过设置保护层压制装置10，在石墨烯生长箔带2收卷前，可在石墨烯生长箔带2上生长有石墨烯的一侧压制一层石墨烯保护层，有利于保护已经生长好的石墨烯，防止石墨烯在收卷和运输过程中受到损伤，保护层压制装置10的两条压辊中其中一条压辊上设有用于驱动其转动的驱动装置，用于将石墨烯保护层压制在石墨烯生长箔带2。本实施例的石墨烯保护层为热释胶带层，能够方便快速的压制在石墨烯生长箔带2上，并保护石墨烯不受到损伤，真空室1内设有卷有热释胶带的卷轴12。优选的，保护层压制装置10上设有用于测量压辊之间对压压力的压力传感器和压力控制器，通过压力传感器反馈，能够实时监控和调节压辊之间的对压压力，保证石墨烯保护层压制在石墨烯生长箔带2的同时，还不会损伤石墨烯。
进一步，生长辊4采用石英材料制成，驱动辊3、收卷辊5和压辊为外周壁镜面抛光的金属辊或表面光滑的胶锟，采用石英材料制成的生长辊4能够承受石墨烯生长所需的高温，将驱动辊3、收卷辊5和压辊采用外周壁镜面抛光的金属等制成的辊轴或表面光滑胶辊，能够保护石墨烯生长箔带2在辊系运动过程中不受到损伤，并保持石墨烯生长箔带2表面光滑平整，提高石墨烯制备的质量，本实施例的驱动辊3、收卷辊5和压辊为外周壁镜面抛光的金属辊。优选的，本实施例的石墨烯生长箔带2为铜箔，驱动锟3、生长辊4和收卷辊5上设有用于驱动驱动锟3、生长辊4和收卷辊5以相同切速度转动的驱动机构，石墨烯生长箔带2为铜箔，而石墨烯的生长条件为1000℃左右，若直接采用外力强拉动铜箔运动，则可能导致在高温下的铜箔断裂，无法实现连续生产，如低温下生长，则不能制备高质量的石墨烯，本实施例通过在驱动锟3、生长辊4和收卷辊5上设置以相同切速度驱动驱动锟3、生长辊4和收卷辊5运动的驱动机构，能够有效驱动铜箔运动而不会导致铜箔断裂，进而实现石墨烯连续生产。
进一步，辊系采用连续制动或脉冲式制动方式驱动石墨烯生长箔带2运动，采用连续制动时，需要调节石墨烯生长箔带2的运动速率，使其在生长辊4上运动的时间内能够完成石墨烯的生长，采用脉冲式制动方式时，当石墨烯生长箔带2运动到生长辊4上后，停止石墨烯生长箔带2直至石墨烯生长完成，再将未生长石墨烯的石墨烯生长箔带2驱动到生长辊4上生长石墨烯；采用连续制动或脉冲式制动两种驱动方式均可实现在石墨烯生长箔带2上连续生长石墨烯，本实施例的辊系采用连续制动的方式驱动石墨烯生长箔带2运动。
进一步，加热装置6为与生长辊4同轴设置的弧形加热装置，快速冷却装置7为液氮冷却装置或水冷却装置，加热装置6和快速冷却装置7上均设有温度传感器，通过将加热装置6设置为与生长辊4同轴设置的弧形加热装置，能够对位于生长辊4上的石墨烯生长箔带2进行均匀加热，使石墨烯均匀生长，通过将快速冷却装置7设置为液氮冷却装置或水冷却装置，能够快速冷却石墨烯生长完成后的石墨烯生长箔带2，有助于石墨烯成膜质量的提高，并使得后续制备进程快速连续地进行，本实施例的快速冷却装置7为液氮冷却装置。通过在加热装置6和快速冷却装置7上设置温度传感器，能够实时反馈和监控加热装置6和快速冷却装置7的温度，使加热装置6和快速冷却装置7始终保持在设定的恒定温度下工作。
进一步，真空泵组9由机械泵与分子泵组成，真空泵组9与真空室1之间设有阀门13，能够有效提高抽真空效率和在石墨烯生产制备过程中保持真空室1内的真空度。优选的，真空室1内设有用于测量真空度的真空计14，用于实时反馈和监控真空室1内的真空度，并保持真空室1内的真空度恒定。
下面对采用本实施例卷对卷石墨烯制备设备制备石墨烯的方法进行说明。
采用本实施例的卷对卷石墨烯制备设备制备石墨烯的方法，包括如下步骤：
1）排除真空室1内的杂质气体后，通过气路系统8向真空室1内通入催化气体，常压条件下还需要同时通入用于调节真空室1内压强的惰性稀释气体，惰性稀释气体可以为氩气，催化气体为氢气；且排除杂质气体的方法如下：将真空室1抽真空至本底真空度后，本底真空度大约等于0.1Pa，分别清洗真空室1内的各个气路；重复清洗两次后，再将真空室1抽真空至本底真空度，对于常压情况下生长石墨烯也可以直接先通入大量惰性气体排除真空室内的杂质气体，本实例采用低压生长石墨烯。
2）将石墨烯生长箔带2中与加热装置6对应的一段加热至设定的石墨烯生长温度，本实施例的石墨烯生长温度为700-1050℃。
3）通过气路系统8向真空室1内通入碳源气体，并控制真空室1内的压强为设定的石墨烯生长压强，碳源气体可以采用甲烷、乙烯或乙炔，且石墨烯的生长压强设定为1-103Pa，碳源气体的流量为1-500sccm，氢气的流量为1-500sccm，且碳源气体在真空室1内所占的体积比为1/1501-10/11。
4）驱动加热装置6和石墨烯生长箔带2之间产生相对移动，加热装置6沿着其相对于石墨烯生长箔带2的相对运动方向逐渐加热石墨烯生长箔带，待石墨烯生长箔带2的石墨烯生长完成并移出加热装置6后，利用快速冷却装置7将石墨烯生长箔带2冷却至常温，且快速冷却装置7将石墨烯生长箔带2冷却至常温所需的时间小于2秒，辊系驱动石墨烯生长箔带2相对于加热装置6运动，加热装置6和快速冷却装置7固定安装在真空室1内；加热装置6和石墨烯生长箔带2之间相对移动的方式可为连续式移动或脉冲式移动，本实施例的石墨烯生长箔带2在辊系的带动下相对于加热装置6连续相对运动，且加热装置6和石墨烯生长箔带2相对移动的速率等于加热装置6在石墨烯生长箔带2延伸方向上的长度与石墨烯生长所需时间的比值，即保证与加热装置6对应的石墨烯生长箔带2在石墨烯生长完成后移出加热装置6，实现连续规模化的石墨烯生产制备。
5）在石墨烯生长箔带2上生长石墨烯后且被收卷前，在石墨烯生长箔带2上压覆石墨烯的保护层，石墨烯保护层为热释胶带层，能够方便快速的压制在石墨烯生长箔带2上，并保护石墨烯不受到损伤。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种卷对卷石墨烯制备设备，其特征在于：
包括密闭的真空室；
所述真空室内设有用于驱动石墨烯生长箔带运动的辊系，所述辊系包括用于石墨烯生长箔带导向的驱动辊、用于在石墨烯生长箔带上生长石墨烯的生长辊和石墨烯制备完成后用于收卷石墨烯生长箔带的收卷辊；所述石墨烯生长箔带为铜箔，所述驱动锟、生长辊和收卷辊上设有用于驱动驱动锟、生长辊和收卷辊以相同切速度转动的驱动机构；
所述真空室内与所述生长辊对应设有用于加热石墨烯生长箔带的加热装置，沿着所述石墨烯生长箔带运动方向，所述生长辊后设有用于冷却生长有石墨烯的石墨烯生长箔带的快速冷却装置；所述加热装置为与所述生长辊同轴设置的弧形加热装置，所述快速冷却装置为液氮冷却装置或水冷却装置，所述加热装置和快速冷却装置上均设有温度传感器；
所述真空室内设有用于通入石墨烯制备所需气体的气路系统，且真空室外设有用于对所述真空室抽真空的真空泵组；所述真空泵组由机械泵与分子泵组成；所述真空室内设有用于测量真空度的真空计；
所述快速冷却装置后设有保护层压制装置，所述保护层压制装置包括至少一对相互配合并用于向所述石墨烯生长箔带压制石墨烯保护层的压辊；所述保护层压制装置上设有用于测量所述压辊之间对压压力的压力传感器及压力控制器；所述石墨烯保护层为热释胶带层；
所述生长辊采用石英材料制成，所述驱动辊、收卷辊和压辊为外周壁镜面抛光的金属辊或表面光滑的胶辊；
所述辊系采用连续制动或脉冲式制动方式驱动所述石墨烯生长箔带运动。
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