[发明专利]石墨烯增强的材料和制造方法

说明书

本发明是用由美国能源部(U.S. Department of Energy)授予的合同号DE-AC05-00OR22725下的政府支持进行的。政府在本发明中具有一定的权利。

发明背景

本发明涉及石墨烯增强的材料和相关的制造方法。

石墨烯是在一单原子厚的片中具有六边形键合结构的碳的单层。已知石墨烯表现出低密度(<0.77 mg/m²)和高抗拉强度(>130,000 MPa)。石墨烯的抗拉强度大于碳钢(850 MPa)、金刚石(2,800 MPa)、芳纶(3,700)和碳纤维(6000 MPa)。鉴于石墨烯的合意的机械性能，需要用于可扩展(scalable)生产石墨烯制品的可靠技术。

用于石墨烯生产的一种已知技术包括石墨晶体的机械剥离。然而，由这种方法生产的石墨烯产生呈粉末形式的不相连的微米尺寸的石墨烯晶体，其在材料增强应用方面具有某些限制。另一已知技术包括在低压下的化学气相沉积。根据该方法，在还原气氛中将金属基质进行退火。在退火后，使金属基质暴露于低压反应器中的碳源以合成石墨烯。可使用各种有机气体和固体作为石墨烯生长的碳源，其中甲烷气体为广泛使用的前体。然而，金属基质可难以进料至低压反应器中，伴随着严重的金属蒸发和对与可燃前体气体相容的真空系统的需求。

发明内容

提供石墨烯制品和相关的制造方法。所述石墨烯制品包括例如基本上纯的石墨烯卷(scroll)、石墨烯增强片、和石墨烯增强卷(在本文中也称为石墨烯增强纤维和石墨烯增强线(thread))，其各自具有跨越宽范围的应用和工业具有吸引力的材料性质。所述石墨烯制品通常包括单层或多层石墨烯，其通过化学气相沉积(CVD)，任选地在大气压下生长。

在一个实施方案中，提供基本上纯的石墨烯卷。所述基本上纯的石墨烯卷为圆柱形并且具有螺旋横截面，带有多个内壁，在一些应用中提供了大于10 GPa的屈服抗拉强度。用于形成石墨烯卷的方法包括在CVD室内将催化剂基质退火，将烃气作为碳源引入CVD室以在催化剂基质上形成至少一层石墨烯，将催化剂基质从所述至少一层石墨烯中溶解，和将所述至少一层石墨烯卷到自身上以形成卷。该方法可任选地包括使所述石墨烯层与催化剂基质分层，例如电化学分层，作为溶解催化剂基质的替代方案。

在另一实施方案中，提供石墨烯-聚合物片。所述石墨烯-聚合物片包括石墨烯层和在该石墨烯层的主表面上延伸的聚合物层。任选地将石墨烯-聚合物片卷成具有螺旋横截面的圆柱形卷，其具有多个内壁。用于形成石墨烯-聚合物片的方法包括在CVD室内将催化剂基质退火，将烃气作为碳源引入CVD室以在催化剂基质上形成至少一层石墨烯，将聚合物膜沉积到石墨烯层上，并且使催化剂基质与石墨烯层分离。所述聚合物膜可包括木质素、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯以及其它。石墨烯增强了聚合物膜，同时还用作在制造期间排列聚合物链的模板。

在另一实施方案中，提供石墨烯-碳片。所述石墨烯-碳片包括石墨烯层和在该石墨烯层的主表面上延伸的碳层。任选地将石墨烯-碳片卷成具有螺旋横截面的圆柱形卷，其具有多个内壁。用于形成石墨烯-碳片的方法包括在CVD室内将催化剂基质退火，将烃气作为碳源引入CVD室以在催化剂基质上形成至少一层石墨烯，使聚合物膜沉积到石墨烯层上，并且对聚合物膜进行热处理以使聚合物碳化。

当根据附图和所附权利要求书查看时，本发明的这些和其它特征和优点将从本发明的以下描述中变得显而易见。

附图简述

图1是例示用于石墨烯卷的大面积单层或多层石墨烯的受控合成的方法的流程图。

图2例示被卷成多壁卷的基本上纯的石墨烯片或石墨烯-聚合物片。

图3是例示用于石墨烯-聚合物复合材料的受控合成的方法的流程图。

图4例示根据图3的方法形成的复合材料的横截面。

图5是例示用于石墨烯-碳复合材料的受控合成的方法的流程图。

图6例示根据图5的方法形成的复合材料的横截面。

图7是纯PMMA卷的应变-力曲线，其例示35 gf的用于破坏(for failure)的平均力值。

图8是石墨烯增强的PMMA卷的应变-力曲线(大气压CVD)，其例示65 gf的用于破坏的平均力值。

图9是石墨烯增强的PMMA卷的应变-力曲线(低压CVD)，其例示65 gf的用于破坏的平均力值。