[发明专利]一种石墨烯薄膜复合物的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种石墨烯薄膜复合物特别是利用微波快速加热的特性及石墨烯衍生物微波吸收特性与高导热能力，通过基底表面涂布石墨烯衍生物溶液形成基底复合物，然后基底复合物以设定速度运动通过微波加热区并在微波加热区对石墨烯衍生物层选择性加热处理并在随后快速冷却及加压处理而获得具有良好导电能力的石墨烯层覆盖的石墨烯薄膜复合物。

背景技术

随着社会的发展，薄膜在包括封闭、传感、电磁屏蔽等领域有着广泛的应用价值而受到人们的高度关注。石墨烯作为一种二维材料，其出色的性能使得其成为高性能薄膜材料的良好选择。石墨烯优异的力学性质(杨氏模量高达1.0TPa)、电学性质(电子迁移率高达10⁶cm².v^-1s^-1)、热学性质(热导系数高达5000w.m^-1.k^-1)、光学性质(单层石墨烯的可见光吸收仅有2.3％和优异的锁模特性)，超大的理论比表面积(2630m².g^-1)及单片层结构赋予其独特的化学和电化学活性使得石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景。因此人们纷纷研制石墨烯薄膜包覆基底材料的石墨烯薄膜复合物，由于石墨烯薄膜复合物适用范围广，因此受到人们的高度关注。目前主流的石墨烯薄膜复合物的制备方法包括化学气相沉积石墨烯膜在基底上而获得的石墨烯薄膜复合物以及由包括氧化石墨烯在内的石墨烯衍生物涂布在基底上而获得的石墨烯衍生物薄膜复合物。化学气相沉积生长的石墨烯薄膜复合物性能优良，但长时间(常常以小时计)高温生长的高能耗及费时限制了其大规模应用；而基于石墨烯衍生物涂布的石墨烯衍生物薄膜复合物则存在性能欠佳的问题:氧化石墨烯由于其基面被氧化使得其不仅存在孔洞而且其导电、导热性能均大幅度下降，而还原则存在难以还原彻底，且化学还原有污染及高温还原费时(通常以小时计)且能耗大等问题；而石墨烯边缘衍生物薄膜复合物的性能同样有待提高。所以，迫切需要一种能够方便、快速、低能耗制备石墨烯薄膜复合物的技术。为此，本申请在国际上首次通过石墨烯衍生物溶液在基底表面涂布形成基底复合物，随后在设定气氛下使得基底复合物以设定速度运动通过微波加热区，然后利用石墨烯衍生物吸收微波的特性，以设定时间快速(通常以秒计)选择性高温处理基底材料表面的石墨烯衍生物层并将其转化为石墨烯层即可获得石墨烯薄膜复合物。本发明不但充分发挥石墨烯衍生物吸收微波特性、微波加热快速高效的特性，而且基底复合物以设定速度运动通过微波加热区还可以精确控制基底复合物的加热时间、冷却时机、避免微波不同区域存在的加热不均并且易于实现机械化连续处理而有助于高质量石墨烯薄膜复合物的批量制备。一般微波炉加热时间设定有30秒为单位的多个档次，但是实验表明在保护气氛下加热一个整档就可能发生由于升温过快而导致涂布的石墨烯衍生物层散乱甚至脱落，即使精密微波炉可以设定微波脉冲长度，但也难以设定可能最优的加热时间如1.2秒，而基底复合物以设定速度通过微波加热区则可以根据微波加热区尺寸轻松获得精确的最佳加热时间。此外，将基底复合物放置在微波炉中加热一段时间，取出后可以明显感觉到放置在不同加热区域的基底复合物加热效果不一样，这与微波炉中加热电场的均匀性有关，虽然可以通过设计如曲面天线结构等方式提高微波炉加热均匀性，但其也有一定限度。而基底复合物以设定速度通过整个微波加热区则由于所有基底复合物均通过整个加热区而获得一致的加热效果。基底复合物以设定速度通过整个微波加热区籍由精确控制加热时间完成加热后立即离开微波加热区就可以快速冷却，因此其冷却时机易于掌握，从而有助于优化制备工艺。特别地，由于溶液涂布的石墨烯衍生物层以石墨烯基面铺展的形态层层包覆在基底上，因此高温处理获得的石墨烯层还由于不同石墨烯片层间π电子云之间的相互作用而可以保持较好的导电、导热及机械性能，所以获得的石墨烯薄膜复合物性能也较为优良。总之本发明的方法可以方便、快捷、低能耗地制备石墨烯薄膜复合物，有望为石墨烯薄膜的进一步推广应用作出贡献。

发明内容