一种基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法与流程

1.本发明涉及表面防护技术领域，特别是涉及一种基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法。


背景技术：

2.石墨烯材料是近些年研究较为火热材料，由于其特殊的二维结构促使其具有优越的导电及良好的柔韧性等性能，并且在较为致密、无氧的环境下，石墨烯材料不发生剧烈的氧化反应，其性能不发生改变。现在石墨材料制备出来的产品已经得到广泛的应用，如使用在真空高温烧结模具上。
3.为了进一步提高石墨烯材料的性能，现有技术中通常会将石墨烯与其他材料(如氧化铝二氧化硅等)一起制成石墨烯复合材料。
4.现有的石墨烯材料或石墨烯复合材料的制备方法多为物理方法，如电镀，通过电镀的方式在金属上制备形成一层薄膜。但是电镀的方法只适合金属基材，不适合在非金属基材上制备石墨烯薄膜。而且，电镀等物理方法制备的复合材料厚度较厚，很难达到微米级，且误差较大。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法，本方法先在特斯拉阀管内壁上制作形成石墨烯复合材料，然后从特斯拉阀管内壁上将石墨烯复合材料取下，从而获得薄膜状的石墨烯复合材料，本发明的石墨烯复合材料具有优异的高温稳定性，耐高温氧化腐蚀及各种苛刻环境，且结构简单，厚度薄，重量轻适合各种电路等强电流环境。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法，包括如下步骤：
7.(1)从特斯拉阀管的逆向依次通入三氧化二铝粉末、二氧化硅粉末，通过物理气相沉积法制备形成基体材料；
8.(2)再从特斯拉阀管的正向依次通入石墨烯粉末、二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末，通过物理气相沉积法制备形成石墨烯复合材料。
9.进一步，所述方法还包括步骤(3)：从特斯拉阀管上将所得石墨烯复合材料取下，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
10.进一步，从特斯拉阀管上取下所得石墨烯复合材料的方式为：加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再破坏特斯拉阀管获得薄膜状的石墨烯复合材料。本发明制得的石墨烯复合材料具有柔韧性，加热特斯拉阀管，可使石墨烯复合材料从其内壁上脱落，最后将特斯拉阀管破坏，就可将制得的材料取出，再进行应用；当然，由于本发明制得的石墨烯复合材料是沿着特斯拉阀管内壁生长的，所述取出后的石墨烯复合材料为管状薄膜，通过切割即可获得片状薄膜。
11.可选地，从特斯拉阀管上取下所得石墨烯复合材料时，加热温度为200-400℃。
12.可选地，所述特斯拉阀管由陶瓷或玻璃制成，陶瓷、玻璃容易破坏，这样通过敲碎特斯拉阀管即可获得石墨烯复合材料。优选地，所述陶瓷选自刚玉或锆酸盐陶瓷；更优选地，所述刚玉和锆酸盐陶瓷的纯度为90-99.9％，例如常见的30刚玉、95刚玉、99刚玉、99.7刚玉等。
13.进一步，将特斯拉阀管清洗后再在其内壁上制备石墨烯复合材料。
14.进一步，特斯拉阀管的清洗方法为：先从特斯拉阀管的正向通入水进行清洗，再通入酒精进行清洗，然后烘干得到清洗干净的特斯拉阀管。
15.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的水为去离子水，所述去离子水的阻抗值在10以及10以下。去离子水的阻抗值是衡量去离子水中杂质含量的重要指标，数值越低，表明水中杂质含量越低。本发明将清洗特斯拉阀管时所使用的去离子水的阻抗值控制在上述数值范围内，是因为当其数值含量更大时，会影响使用的效果；当其数值含量较低时，会增加实验以及后续工程实验的成本。
16.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的水的流动速度为2-3m/s，通入时间为1500-1800s。
17.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的酒精为无水酒精，以国标为准。
18.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的酒精的流动速度为1-2m/s，通入时间为800-1200s。
19.可选地，烘干特斯拉阀管时，烘干温度为80-85℃，烘干时间为300-480min。
20.进一步，步骤(1)和(2)中，所使用的三氧化二铝粉末、二氧化硅粉末、石墨烯粉末均为纳米级粉末。
21.可选地，纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅、纳米石墨烯的粒径分别为1-3nm、1-3nm、0.5-1nm。
22.进一步，步骤(1)和(2)中，三氧化二铝、二氧化硅、石墨烯粉末均通过真空泵通入特斯拉阀管中。
23.可选地，步骤(1)中，三氧化二铝、二氧化硅的送粉方式为逆向进料。
24.可选地，步骤(1)中，三氧化二铝的送风口速度为0.25-0.30m/s，沉积时间为1500-2000min，形成的三氧化二铝层厚度为130-150μm。
25.可选地，步骤(1)中，二氧化硅的送风口速度为0.20-0.25m/s，沉积时间为1500-2000min，形成的二氧化硅层厚度为120-150μm。
26.可选地，步骤(2)中，三氧化二铝、二氧化硅、石墨烯的送粉方式为正向进料。
27.可选地，步骤(2)中，石墨烯的送风口速度为0.10-0.15m/s，沉积时间为1300-1500min，形成的石墨烯厚度为220-240μm。
28.可选地，步骤(2)中，三氧化二铝的送风口速度为0.25-0.30m/s，沉积时间为500-720min，形成的三氧化二铝层厚度为130-150μm。
29.可选地，步骤(2)中，二氧化硅的送风口速度为0.20-0.25m/s，沉积时间600-800min，形成的二氧化硅层厚度为120-150μm。
30.本发明第二方面提供一种石墨烯复合材料，采用第一方面所述的方法制成。
31.进一步，所述石墨烯复合材料依次包括三氧化二铝层、二氧化硅层、石墨烯层、二
氧化硅层、三氧化二铝层。
32.可选地，所述三氧化二铝层的厚度为130-150μm。
33.可选地，所述二氧化硅层的厚度为120-150μm。
34.可选地，所述石墨烯层的为220-240μm。
35.如上所述，本发明的基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法，具有以下有益效果：
36.本发明利用特斯拉阀管的特殊的结构及性能，在其内壁制备出石墨烯复合材料，再破坏特斯拉阀管，获得薄膜状的石墨烯复合材料，再进一步进行应用；本发明制备得到的石墨烯复合材料具有优异的高温稳定性，且结构简单、重量轻，能耐高温氧化腐蚀及各种苛刻环境适合各种电路等强电流环境。
37.本发明制得的石墨烯复合材料由三氧化二铝层、二氧化硅层、石墨烯层、二氧化硅层、三氧化二铝层组成。其中，石墨烯由于其特殊的二维结构使其具有优越的导电及良好的柔韧性等性能，并且在较为致密、无氧的环境下，石墨烯不发生剧烈的氧化反应，其性能不发生改变，因此，石墨烯的运用使特斯拉阀管能应用于各种电路等强电流环境。三氧化二铝和二氧化硅属于耐高温无机材料，在高温不发生挥发且稳定，较为坚硬，且在高温状态下，三氧化二铝和二氧化硅会发生化学反应，生成较为坚硬的复合材料硅酸铝(al2o3·
3sio2)，阻碍氧元素进一步氧化石墨烯中间层。第一步通入三氧化二铝制备三氧化二铝层主要原因是，其与基体材料(特斯拉阀材料)粘结性粘附性好，这样通入二氧化硅可以与三氧化二铝在较高温度下生成较稳定、致密的结构，并且生成的结构与石墨烯层不发生反应，同时两侧的结构层能阻止中间的石墨烯被氧化。综上，本发明制备的石墨烯复合材料兼具有石墨烯材料的优良导电性能和良好的柔韧性能，同时，外层的三氧化二铝层和二氧化硅层作为保护层，可以减少氧的扩渗，有效的保护或者阻止石墨烯中间层被氧化，对石墨烯层起到良好的保护作用并且保护层可以防止酸碱的腐蚀作用。另外，本发明所得石墨烯复合材料的以三氧化二铝为最外层，可避免二氧化硅与特斯拉阀管发生反应。
38.由于特斯拉阀管的内壁一般比较粗糙，本发明在制备石墨烯复合材料时，先从逆向通入三氧化二铝，逆向通入粉体流动速度较慢，有利于三氧化二铝在特斯拉阀内壁内沉淀，使特斯拉阀管和三氧化二铝稳定的结合，而正向通入粉体流动速度较快，不利于固体内壁与粉体的沉淀。后期再正向通入粉体，有利于快速制备形成石墨烯复合材料。另外，通过调整送风口速度和沉积时间，可以控制气流的流动速度和原料的通入时间，从而有效地控制各层的厚度情况。
附图说明
39.图1为本发明实施例中制备石墨烯复合材料所使用的刚玉质特斯拉阀管的结构示意图。
40.图2为本发明实施例中制备石墨烯复合材料所使用的刚玉质特斯拉阀管的尺寸示意图。
具体实施方式
41.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
42.天才科学家尼古拉特斯拉发明了单向导通阀体——特斯拉阀。这种阀体没有任何活动部件，在阀体一侧通入流体可以实现流体单行流动。由于特斯拉阀具有独特的空间结构等特点正向流动和逆向流动的流动速度差别较大，并且阀体内部没有任何机械运动，仅仅使用法体结构中的空间结构和空气动力，就能通过阀体自身结构加速气体流动，减少流体在运输过程中的能量损失。特斯拉阀体结构在运输流体时，其最大的结构特点为在结构内部加速或减速流体的运输速度的效率始终保证恒定不变。
43.本发明利用特斯拉阀管的特殊的结构及性能，开发了一种基于特斯拉阀制备石墨烯复合材料的方法，结合图1所示，包括如下步骤：
44.(1)先从特斯拉阀管的逆向依次通入三氧化二铝粉末、二氧化硅粉末，通过物理气相沉积法制备形成基体材料；
45.(2)再从特斯拉阀管的正向依次通入石墨烯粉末、二氧化硅粉末、三氧化二铝粉末，通过物理气相沉积法制备形成石墨烯复合材料；
46.(3)然后从特斯拉阀管上将所得石墨烯复合材料取下，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
47.进一步地，从特斯拉阀管上取下所得石墨烯复合材料的方式为：加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再破坏特斯拉阀管获得薄膜状的石墨烯复合材料。本发明制得的石墨烯复合材料具有柔韧性，且特斯拉阀管的内壁上都有生成的石墨烯复合材料，加热特斯拉阀管，可使石墨烯复合材料从其内壁上脱落，最后将特斯拉阀管破坏，就可将制得的材料取出，再进行应用；当然，由于本发明制得的石墨烯复合材料是沿着特斯拉阀管内壁生长的，所述取出后的石墨烯复合材料为管状薄膜，通过切割即可获得片状薄膜。
48.可选地，从特斯拉阀管上取下所得石墨烯复合材料时，加热温度为200-400℃。
49.可选地，所述特斯拉阀管由陶瓷或玻璃制成，陶瓷、玻璃容易破坏，这样通过敲碎特斯拉阀管即可获得石墨烯复合材料。优选地，所述陶瓷选自刚玉或锆酸盐陶瓷；更优选地，所述刚玉和锆酸盐陶瓷的纯度为90-99.9％，例如常见的30刚玉、95刚玉、99刚玉、99.7刚玉等。
50.进一步地，将特斯拉阀管清洗后再在其内壁上制备石墨烯复合材料。具体地，特斯拉阀管的清洗方法为：先从特斯拉阀管的正向通入水进行清洗，再通入酒精进行清洗，然后烘干得到清洗干净的特斯拉阀管。
51.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的水为去离子水，所述去离子水的阻抗值在10以及10以下。
52.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的水的流动速度为2-3m/s，通入时间为1500-1800s。
53.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的酒精为无水酒精，以国标为准。
54.可选地，清洗特斯拉阀管时所使用的酒精的流动速度为1-2m/s，通入时间为800-1200s。
55.可选地，烘干特斯拉阀管时，烘干温度为80-85℃，烘干时间为300-480min。
56.进一步地，步骤(1)和(2)中，所使用的三氧化二铝粉末、二氧化硅粉末、石墨烯粉末均为纳米级粉末。优选地，纳米三氧化二铝、纳米二氧化硅、纳米石墨烯的粒径分别为1-3nm、1-3nm、0.5-1nm。
57.进一步地，步骤(1)和(2)中，三氧化二铝、二氧化硅、石墨烯粉末均通过真空泵通入特斯拉阀管中。
58.可选地，步骤(1)中，三氧化二铝、二氧化硅的送粉方式为逆向进料；步骤(2)中，三氧化二铝、二氧化硅、石墨烯的送粉方式为正向进料。通过调整送风口速度和沉积时间，可以控制气流的流动速度和原料的通入时间，从而控制各层的厚度情况。
59.可选地，步骤(1)中，三氧化二铝的送风口速度为0.25-0.30m/s，沉积时间为1500-2000min，形成的三氧化二铝层厚度为130-150μm；二氧化硅的送风口速度为0.20-0.25m/s，沉积时间为1500-2000min，形成的二氧化硅层厚度为120-150μm。
60.可选地，步骤(2)中，石墨烯的送风口速度为0.10-0.15m/s，沉积时间为1300-1500min，形成的石墨烯厚度为220-240μm；三氧化二铝的送风口速度为0.25-0.30m/s，沉积时间为500-720min，形成的三氧化二铝层厚度为130-150μm；二氧化硅的送风口速度为0.20-0.25m/s，沉积时间600-800min，形成的二氧化硅层厚度为120-150μm。
61.本发明制得的石墨烯复合材料由三氧化二铝层、二氧化硅层、石墨烯层、二氧化硅层、三氧化二铝层组成。其中，石墨烯由于其特殊的二维结构使其具有优越的导电及良好的柔韧性等性能，并且在较为致密、无氧的环境下，石墨烯不发生剧烈的氧化反应，其性能不发生改变，因此，石墨烯的运用使特斯拉阀管能应用于各种电路等强电流环境。三氧化二铝和二氧化硅属于耐高温无机材料，在高温不发生挥发且稳定，较为坚硬，且在高温状态下，三氧化二铝和二氧化硅会发生化学反应，生成较为坚硬的复合材料硅酸铝(al2o3·
3sio2)，阻碍氧元素进一步氧化石墨烯中间层。综上，本发明制备的石墨烯复合材料兼具有石墨烯材料的优良导电性能和良好的柔韧性能，同时，外层的三氧化二铝层和二氧化硅层作为保护层，可以有效的保护或者阻止石墨烯中间层被氧化，对石墨烯层起到良好的保护作用，并且保护层可以防止酸碱的腐蚀作用。另外，本发明所得石墨烯复合材料的以三氧化二铝为最外层，可避免二氧化硅与特斯拉阀管发生反应。
62.本发明制备得到的石墨烯复合材料具有优异的高温稳定性，且结构简单、重量轻，能耐高温氧化腐蚀及各种苛刻环境，适合各种电路等强电流环境。
63.下面具体的例举实施例以详细说明本发明。
64.以下实施例中，使用的特斯拉阀管尺寸如图2所示，是根据预定设计好的特斯拉阀结构制作而成，实际过程中，特斯拉阀的实际结构情况与进料口的速度有关，根据特斯拉阀的结构控制进料口的速度，从而制备出本发明的石墨烯复合材料。
65.同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行具体的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
66.实施例1
67.将准备好的特质99刚玉质特斯拉阀管，从正向通入阻抗值在8欧的去离子水(去离
子水的流动速度为2.0m/s，通入时间为1800s)，再通入国标无水乙醇溶液(流动速度的1.0m/s，通入时间为1200s)，烘干(烘干温度为85℃，时间为300min)，得到干净的刚玉质特斯拉阀管。
68.采用真空泵，从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米三氧化二铝，其粒径为1.2nm，送风口速度为0.25m/s，沉积时间1500min，通过物理气相沉积法得到厚度为130μm的三氧化二铝层，再从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米二氧化硅，其粒径为1.3nm，送风口速度为0.20m/s，沉积时间1800min，通过物理气相沉积法得到厚度为140μm的二氧化硅层，通过这种方式得到石墨烯复合材料的基底材料；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米石墨烯其粒径为0.6nm，送风口速度为0.10m/s，沉积时间1300min，通过物理气相沉积法得到厚度为225μm的石墨烯层；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米二氧化硅粉末，其粒径为1.2nm，送风口速度为0.20m/s，沉积时间600min，通过物理气相沉积法得到厚度125μm的二氧化硅层；最后从刚玉质特斯拉阀管的正向通入纳米三氧化二铝，其粒径为1.2nm，送风口速度为0.25m/s，沉积时间500min，通过物理气相沉积法得到厚度为125μm的三氧化二铝层，即得到石墨烯复合材料。
69.在300℃下加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再敲碎特斯拉阀管，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
70.实施例2
71.将准备好的特质99刚玉质特斯拉阀管，从正向通入阻抗值在9.2欧的去离子水(去离子水的流动速度为3.0m/s，通入时间为1500s)，再通入国标无水乙醇溶液(流动速度的2.0m/s，通入时间为800s)，烘干(烘干温度为80℃，时间为300min)，得到干净的刚玉质特斯拉阀管。
72.采用真空泵，从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米三氧化二铝，其粒径为3.0nm，送风口速度为0.30m/s，沉积时间1980min，通过物理气相沉积法得到厚度为150μm的三氧化二铝层，再从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米二氧化硅，其粒径为3.0nm，送风口速度为0.25m/s，沉积时间1800min，通过物理气相沉积法得到厚度为150μm的二氧化硅层，通过这种方式得到石墨烯复合材料的基底材料；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米石墨烯其粒径为0.5nm，送风口速度为0.15m/s，沉积时间1500min，通过物理气相沉积法得到厚度为240μm的石墨烯层；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米二氧化硅粉末，其粒径为3.0nm，送风口速度为0.25m/s，沉积时间800min，通过物理气相沉积法得到厚度150μm的二氧化硅层；最后从刚玉质特斯拉阀管的正向通入纳米三氧化二铝，其粒径为3.0nm，送风口速度为0.30m/s，沉积时间720min，通过物理气相沉积法得到厚度为150μm的三氧化二铝层，即得到石墨烯复合材料。
73.在400℃下加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再敲碎特斯拉阀管，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
74.实施例3
75.将准备好的特质99刚玉质特斯拉阀管的正向通入阻抗值7.8欧的去离子水(去离子水的流动速度为2.8m/s，通入时间为1550s)，再通入国标无水乙醇溶液(流动速度的2.8m/s，通入时间为900s)，烘干(烘干温度为82℃，时间为150min)，得到干净的刚玉质特斯拉阀管。
76.采用真空泵，从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米三氧化二铝，其粒径为1.8nm，送风口速度为0.26m/s，沉积时间1750min，通过物理气相沉积法得到厚度为130μm的三氧化二铝层，再从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米二氧化硅，其粒径为1.8nm，送风口速度为0.22m/s，沉积时间1800min，通过物理气相沉积法得到厚度为140μm的二氧化硅层，通过这种方式得到石墨烯复合材料的基底材料；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米石墨烯其粒径为0.8nm，送风口速度为0.14m/s，沉积时间1400min，通过物理气相沉积法得到厚度为230μm的石墨烯层；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米二氧化硅粉末，其粒径为2.0nm，送风口速度为0.22m/s，沉积时间700min，通过物理气相沉积法得到厚度130μm的二氧化硅层；最后从刚玉质特斯拉阀管的正向通入纳米三氧化二铝，其粒径为2.0nm，送风口速度为0.26m/s，沉积时间600min，通过物理气相沉积法得到厚度为140μm的三氧化二铝层，即得到石墨烯复合材料。
77.在200℃下加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再敲碎特斯拉阀管，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
78.实施例4
79.将准备好的特质99刚玉质特斯拉阀管的正向通入阻抗值在9.5欧的去离子水(去离子水的流动速度为2.8m/s，通入时间为1600s，再通入国标无水乙醇溶液(流动速度的1.8m/s，通入时间为1100s)，烘干(烘干温度为83℃，时间为400min)，得到干净的刚玉质特斯拉阀管。
80.采用真空泵，从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米三氧化二铝，其粒径为2.5nm，送风口速度为0.27m/s，沉积时间1950min，通过物理气相沉积法得到厚度为135μm的三氧化二铝层，再从刚玉质特斯拉阀管的逆向通入纳米二氧化硅，其粒径为2.8nm，送风口速度为0.23m/s，沉积时间1730min，通过物理气相沉积法得到厚度为138μm的二氧化硅层，通过这种方式得到石墨烯复合材料的基底材料；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米石墨烯其粒径为0.8nm，送风口速度为0.13m/s，沉积时间1920min，通过物理气相沉积法得到厚度为230μm的石墨烯层；再从刚玉质特斯拉阀管的正向，通入纳米二氧化硅粉末，其粒径为2.4nm，送风口速度为0.24m/s，沉积时间730min，通过物理气相沉积法得到厚度138μm的二氧化硅层；最后从刚玉质特斯拉阀管的正向通入纳米三氧化二铝，其粒径为2.6nm，送风口速度为0.28m/s，沉积时间650min，通过物理气相沉积法得到厚度为138μm的三氧化二铝层，即得到石墨烯复合材料。
81.在350℃下加热特斯拉阀管，使所得石墨烯复合材料脱落，再敲碎特斯拉阀管，获得薄膜状的石墨烯复合材料。
82.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。