[发明专利]高度取向的氧化石墨烯膜以及由其衍生的石墨膜的生产

说明书

一种用于生产高度取向的氧化石墨烯(GO)膜的方法，该方法包括：(a)制备具有分散在流体介质中的GO片的GO分散体或具有溶解在流体介质中的GO分子的GO凝胶；(b)将该GO分散体或凝胶分配到在第一方向上旋转的施加辊的表面上以形成GO的施加层并将该施加层转移到在与该第一方向相反的第二方向上驱动的支承膜的表面上，以在该支承膜上形成GO的湿层；并且(c)从该GO的湿层中去除所述流体介质以形成具有0.4nm至1.2nm的平面间间距d₀₀₂和按重量计不少于5％的氧含量的GO的干燥层。该干燥的GO层可以被热处理以产生石墨膜。

技术领域

本发明总体上涉及石墨材料领域，并且更具体地涉及新形式的氧化石墨烯膜、衍生自该氧化石墨烯膜的石墨膜以及用于生产此类膜的方法。这种新的氧化石墨烯衍生的石墨膜展现出异常高的石墨烯晶体完整度和取向度、大晶体尺寸、高热导率、高电导率、高抗拉强度和高弹性模量的前所未有的组合。

背景技术

已知碳具有五种独特的晶体结构,包括金刚石、富勒烯(0-D纳米石墨材料)、碳纳米管或碳纳米纤维(1-D纳米石墨材料)、石墨烯(2-D纳米石墨材料)和石墨(3-D石墨材料)。碳纳米管(CNT)是指以单壁或多壁生长的管状结构。碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)具有几纳米到几百纳米的数量级的直径。其纵向、空心结构赋予材料独特的机械、电学和化学特性。CNT或CNF是一维纳米碳或1-D纳米石墨材料。

块体天然石墨是3-D石墨材料，每个石墨颗粒由多个晶粒(晶粒是石墨单晶或微晶)构成，这些晶粒具有界定邻近石墨单晶的晶界(无定形或缺陷区)。每个晶粒由相互平行取向的多个石墨烯平面构成。石墨微晶中的石墨烯平面由占据二维六方晶格的碳原子构成。在给定的晶粒或单晶中，石墨烯平面在晶体学c-方向(垂直于石墨烯平面或基面)堆叠或通过范德华力结合。虽然一个晶粒中的所有石墨烯平面是相互平行的，但典型地一个晶粒中的石墨烯平面和相邻晶粒中的石墨烯平面是以不同取向倾斜的。换言之，石墨颗粒中的不同晶粒的取向典型地从一个晶粒到另一个晶粒不同。

石墨单晶(微晶)本身是各向异性的，沿基面中的方向(晶体学a-或b-轴方向)测量的特性与如果沿晶体学c-轴方向(厚度方向)测量的特性显著不同。例如，石墨单晶的热导率在基面中(晶体学a-和b-轴方向)可以最高达约1,920W/mK(理论值)或1,800W/mK(实验值)，但沿晶体学c-轴方向是小于10W/mK(典型地小于5W/mK)。而且，石墨颗粒中的多个晶粒或微晶典型地全部沿着不同的和随机的方向取向。因此，由不同取向的多个晶粒构成的天然石墨颗粒展现出在这两个极限值之间(在5W/mK与1,800W/mK之间)的平均特性。

在许多应用中非常希望的是生产含有单个或多个晶粒、具有足够大的尺寸(即，大的长度和宽度)并且具有的所有石墨烯平面沿着一个期望的方向基本上相互平行的石墨膜(薄的或厚的)。换句话说，非常希望的是具有一个大尺寸石墨膜(例如，多个石墨烯平面的完全一体化的层)，具有所有石墨烯平面的c-轴方向基本上相互平行并且具有用于特定应用的足够大的膜长度和/或宽度。生产此种高度取向的石墨膜一直是不可能的。尽管已经进行了一些尝试来通过繁琐的、能源密集型的且昂贵的化学气相沉积(CVD)，然后进行超高温石墨化来生产所谓的高度取向的热解石墨(HOPG)，但是HOPG的石墨结构仍然不充分对齐并且因此展现出显著低于理论预测的特性。

本发明针对设计和生产在此被称为高度取向的氧化石墨烯膜(HOGOF)的一类新材料和被称为石墨膜的随后经热处理型式的新材料科学方法。HOGOF是由高度对齐的氧化石墨烯平面构成的薄膜结构，其中所有的石墨烯或氧化石墨烯平面基本上相互平行。该HOGOF的氧含量典型地为按重量计从5％至50％。当HOGOF被热处理时，所得石墨膜中的石墨烯平面比常规的HOPG能够实现的石墨烯平面好得多地对齐。HOGOF衍生的石墨膜具有典型地从100nm至500μm(可以最高达5mm)，但更典型地从1μm至200μm，进一步更典型地从5μm至100μm，并且最典型地在10μm与50μm之间的厚度。在大多数情况下，石墨膜具有按重量计0.001％-5％的氧量。常规的HOPG不含氧。