[发明专利]一种石墨烯钻头

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻头，特别涉及到一种石墨烯钻头。

背景技术

石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收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，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10^-8Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。

被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯，以其神奇特性承载着人们的无数想象。世界主要国家均高度重视发展石墨烯相关产业，期待它带来巨大的市场价值。

2014年10月，美国麻省理工学院研究人员发现，揉皱的石墨烯纸可用于制备易弯曲、折叠或拉伸到其原始大小800％的超级电容器，且揉皱-平复1000次其性能也不发生明显降低。

石墨烯是单原子层的二维晶体材料，也是结构最为简单的碳材料。常见的石墨材料可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因此石墨烯也被视作“单层石墨”。被誉为“21世纪神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最坚硬、室温下导电性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料：它可以薄到只有一个碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片中能剥离出300万层石墨烯；它很硬，其强度比钢还要高200倍；在室温下，电阻率最低的物质是银，而石墨烯的电阻率比银还小；它透明而不透气……种种特性使石墨烯未来在触摸屏、传感器、蓄电池等诸多领域的应用充满想象。

科学家预计，未来5到10年里，石墨烯研究会有很大发展，首个石墨烯触摸屏将在三五年内上市，石墨烯电子纸样品2015年可以研发成功，超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、高强度航空材料，甚至更富想象力的太空电梯等未来设备将在相关领域引发革命性突破，并带动价值数万亿美元的新兴产业链。

中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显示，在所有国家中，中国申请的石墨烯专利数量最多，已超过2200项，占全世界的1/3。目前，中国石墨烯专利数量世界第一。

目前的钻头一般都采用硬质合金，因为环氧玻璃布复铜箔板对刀具的磨损特别快。所谓硬质合金是以碳化钨粉末为基体，以钴粉作粘结剂经加压、烧结而成。通常含碳化钨94％，含钴6％。由于其硬度很高，非常耐磨，有一定强度，适于高速切削。但韧性差，非常脆，为了改善硬质合金的性能，有的采用在碳化基体上化学汽相沉积一层5～7微米的特硬碳化钛(TIC)或氮化钛(TIN)，使其具有更高的硬度。有的用离子注入技术，将钛、氮、和碳注入其基体一定的深度，不但提高了硬度和强度而且在钻头重磨时这些注入成份还能内迁。还有的用物理方法在钻头顶部生成一层金刚石膜，极大的提高了钻头的硬度与耐磨性。硬质合金的硬度与强度，不仅和碳化钨与钴的配比有关，也与粉末的颗粒有关。超微细颗粒的硬质合金钻头，其碳化钨相晶粒的平均尺寸在1微米以下。这种钻头，不仅硬度高而且抗压和抗弯强度都提高了。为了节省成本许多钻头采用焊接柄结构，原来的钻头为整体都是硬质合金，后部的钻柄采用了不锈钢，成本大大下降但是由于采用不同的材质其动态的同心度不及整体硬质合金钻头，特别在小直径方面。

综上可见，尽管钻头采用碳化钨粉末为基体的硬质合金或金刚石膜作为耐磨体，但经过一定的时间，在高温、高压的磨转中，往往还是免不了要频频更换钻头，不仅费时费力，而且使用成本颇高。

发明内容

本发明的任务是提出一种石墨烯钻头，以解决上述问题。

众所周知，钻头挖坑作业时，钻头会绕立轴旋转，同时作轴向移动。土壤在钻头的扭矩和轴向力作用下被切削，在工作叶片的挤压和离心力作用下被破坏并捣松碎，形成土流压向坑壁，同时沿页面升运到地表。当土流运动到无坑壁阻挡处时，由于离心力作用碎土被抛到坑的周围，完成整个挖坑过程。