一种石墨烯的制备方法以及制备设备与流程

1.本发明涉及石墨烯的制备技术领域，特别是一种石墨烯的制备方法以及制备设备。


背景技术：

2.由于石墨烯具有各项优异的物理化学性能，如超高载流子迁移速率(约105cm2/vs)、超高热导率(约5kw/m
·
k)、优异力学性能(1tpa)及较大理论比表面积(2 630m2/g)，因而可被广泛应用于储能、传感器、光学器件、生物医药等领域。石墨烯的制备方法一直是研究学者的关注热点，如常见的机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法等，机械剥离法、氧化还原法均存在大量多层石墨，无法保证产品质量，化学气相沉积法存在成本较高、制备效率较低等缺点，尤其是作为特殊用途时形状不可控，因此需开发一种集剥离、氧化、还原、3d成型的石墨烯制备方法，来满足其潜在应用领域需求。
3.激光具有高亮度、高方向性、高相干性和单色性等优异特性，是一种精密可控的高能量密度热源。在微细、切割、高性能合成、喷涂、打孔、焊接等领域已有成熟应用。由于激光具有高能性、定向性、微观性，因此在超微细领域具有巨大的应用空间。特别是在一些精细破碎、精密切割等领域显现出巨大的优势。将激光应用于制备石墨烯，主要是使用激光照射在聚合物上，利用激光沉积、激光诱导、激光辅助还原，诱发碳晶粒、晶核的生长，促使其形成石墨烯。
4.近年来，研究人员开发了许多新型石墨烯制备方法，如激光诱导、光热/化学还原、微波还原等，其中通过激光诱导制备石墨烯工艺简单、成本低、效率高，且不使用催化剂，制备过程更加环保，该方法除可将氧化石墨烯还原为石墨烯外，还可利用聚合物或其他可成炭材料为原料制备石墨烯，且以此方法制备石墨烯，可直接在表面引入缺陷或杂质，利于在某些领域的应用。与传统石墨烯制备方法相比，该方法工艺简便、成本更低，可在不使用遮挡、模板、前驱体的前提下实现石墨烯图案可控，同时原料可选择性更广，因而在各领域的应用研究越来越广泛。
5.并且现有的co2激光器需要操作人员手动将聚合物放置在co2激光器下方，在co2激光器工作结束后，再拿取划线完成的聚合物，更换新的待加工的聚合物，工作效率低，鉴于此，针对上述问题深入研究，遂有本案产生。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决上述问题，设计了一种石墨烯的制备方法以及制备设备，解决了背景技术中提出的问题。
7.实现上述目的本发明的技术方案为：一种石墨烯的制备方法，包括以下操作步骤：步骤s1、操作设置；步骤s2、操作划线；
8.步骤s1、将激光波长为10.6μm的co2激光器设定为一定功率、扫描速率和扫描次数；
9.步骤s2、在特定气氛中，将所述步骤s1中设定好的所述co2激光器在聚合物上按设定图案进行激光划线。
10.所述步骤s1中的所述功率为0.5w-8.9w；所述步骤s1中的所述扫描速率为0.75cm/s-20cm/s；所述步骤s1中的所述扫描次数为1-6次。
11.所述步骤s2中的所述气氛包括空气、h2、o2、ar、sf6中的一种或多种；所述步骤s2中的所述聚合物为pi、peek、蔗糖、纸、酚醛树脂、木材、聚酰胺-酰亚胺、pes、pei、交联聚苯乙烯、环氧树脂、磷酸处理纤维素等。
12.实现上述目的本发明的技术方案为：应用于一种石墨烯的制备方法的制备设备，包括底座，所述底座上设有送料结构，所述底座上还设有划线结构，所述划线结构上设有加气结构，所述划线结构上还设有密封结构；
13.所述送料结构包括：固定座、电动转盘、两个第一液压缸、两个放置板、两个凸台、两个定位部以及两个导向部；
14.所述固定座安装于底座上，所述电动转盘安装于固定座上，两个所述第一液压缸对称安装于电动转盘上，两个所述放置板安装于两个所述第一液压缸伸缩端上，两个所述凸台分别安装于两个所述放置板上壁面上，两个所述定位部安装于两个所述放置板下壁面上，两个所述导向部安装于两个所述第一液压缸上。
15.所述定位部包括：固定框、第一电机、对拉丝杆、两个滑块、两个第一支架、丝杆模组、第二支架以及限位组件；
16.所述固定框安装于放置板下壁面上，所述第一电机安装于固定框上，所述对拉丝杆安装于第一电机驱动端上，且所述对拉丝杆活动插装于固定框上，两个所述滑块分别套装于对拉丝杆上，两个所述第一支架安装于两个所述滑块上，所述丝杆模组安装于放置板下壁面上，所述第二支架安装于丝杆模组移动端上，所述限位组件安装于放置板上。
17.所述限位组件包括：支板、两个第一气缸以及限位板；
18.所述支板安装于放置板上，两个所述第一气缸安装于支板上，限位板安装于两个所述第一气缸伸缩端。
19.所述导向部包括：固定板、伸缩杆以及连接板；
20.所述固定板安装于第一液压缸上，所述伸缩杆安装于固定板上，所述连接板安装于连接板安装于伸缩杆伸缩端，所述连接板安装于放置板下壁面上。
21.所述划线结构包括：机身框架、第二液压缸以及激光器本体；
22.所述机身框架安装于底座上，所述第二液压缸安装于机身框架内侧顶面上，所述激光器本体安装于第二液压缸伸缩端。
23.所述加气结构包括：加气口、第一电磁阀、第二气缸、转轴、齿轮盘、若干个通气管、若干个第二电磁阀、第二电机以及主动齿轮；
24.所述加气口插装于机身框架上，所述第一电磁阀安装于加气口上，所述第二气缸安装于机身框架上，且所述第二气缸伸缩端连接于加气口一端外侧壁面上，所述转轴活动插装于机身框架上，所述齿轮盘安装于转轴一端，若干个所述通气管呈圆形阵列状插装于齿轮盘上，若干个所述第二电磁阀安装于若干个所述通气管一端，所述第二电机安装于机身框架上，所述主动齿轮与齿轮盘啮合的安装于第二电机驱动端上。
25.所述密封结构包括：四个电动滑轨、两个开门、四个凹槽以及四个密封垫；
26.四个所述电动滑轨安装于机身框架内侧壁面上，两个所述开门安装于四个所述电动滑轨移动端上，四个所述凹槽开设于两个所述开门上，四个所述密封垫安装于四个所述凹槽上。
27.利用本发明的技术方案制作的石墨烯的制备方法以及制备设备，工艺简单、成本低、效率高，且不使用催化剂，制备过程清洁无污染更加环保；可利用聚合物或其他可成炭材料为原料制备石墨烯，且以此方法制备石墨烯，可直接在表面引入缺陷或杂质，利于在某些领域的应用；在不使用遮挡、模板、前驱体的前提下实现石墨烯图案可控，同时原料可选择性更广，因而在各领域的应用研究越来越广泛；送料结构固定两个聚合物，划线结构对其中一个聚合物进行划线，另一个聚合物等待划线，在划线结构工作之前加气结构进行加气，密封结构对气体进行密封，避免气体扩散，划线结构工作完成后，两个聚合物位置交换，工作效率高。
附图说明
28.图1为本发明所述一种石墨烯的制备设备的主视结构示意图。
29.图2为本发明所述一种石墨烯的制备设备的送料结构的俯视图。
30.图3为本发明所述一种石墨烯的制备设备的加气结构的局部侧视图。
31.图4为本发明所述一种石墨烯的制备设备的密封结构的侧视图。
32.图5为本发明图1所述一种石墨烯的制备设备的局部放大示意图。
33.图中：1、底座，2、固定座，3、密封垫，4、电动转盘，5、第一液压缸，6、放置板，7、凸台，8、固定框，9、第一电机，10、对拉丝杆，11、滑块，12、第一支架，13、丝杆模组，14、第二支架，15、支板，16、第一气缸，17、限位板，18、固定板，19、伸缩杆，20、连接板，21、机身框架，22、第二液压缸，23、激光器本体，24、加气口，25、第一电磁阀，26、第二气缸，27、转轴，28、齿轮盘，29、通气管，30、第二电磁阀，31、第二电机，32、主动齿轮，33、电动滑轨，34、开门。
具体实施方式
34.实施例1
35.(1)将激光波长为10.6μm的co2激光器功率设定为4.8w、扫描速度设定为8.9cm/s和扫描设定为1次数；
36.(2)在空气中，将步骤(1)设定好的co2激光器在聚合物pi上进行激光划线，得到蜂窝状多孔石墨烯。
37.实施例2
38.(1)将激光波长为10.6μm的co2激光器功率设定为7.5w、扫描速度设定为15.24cm/s和扫描设定为1次数；
39.(2)在h2气氛中，将步骤(1)设定好的co2激光器在蔗糖与镍粉的混合原料上进行激光诱导，得到形状复杂的石墨烯泡沫。
40.实施例3
41.(1)将激光波长为10.6μm的co2激光器功率设定为1.5w、扫描速度设定为15cm/s和扫描设定为1次数；
42.(2)在o2/空气/ar/h2/sf6混合气氛中，将步骤(1)设定好的co2激光器在聚合物pi
上进行激光照射，得到掺杂s和f的石墨烯。
43.实施例4
44.通过本领域人员，将本案中所有电气件与其适配的电源通过导线进行连接，并且应该根据实际情况，选择合适的控制器，以满足控制需求，具体连接以及控制顺序，应参考下述工作原理中，各电气件之间先后工作顺序完成电性连接，其详细连接手段，为本领域公知技术，下述主要介绍工作原理以及过程，不在对电气控制做说明。
45.下面结合附图对本发明进行具体描述，如图1-5所示，一种石墨烯的制备设备，包括底座1，底座1上设有送料结构，底座1上还设有划线结构，划线结构上设有加气结构，划线结构上还设有密封结构；
46.其中需要说明的是：底座1用于安装送料结构、划线结构，送料结构固定两个聚合物，划线结构对其中一个聚合物进行划线，另一个聚合物等待划线，在划线结构工作之前加气结构进行加气，密封结构对气体进行密封，避免气体扩散，划线结构工作完成后，两个聚合物位置交换，工作效率高；
47.在具体实施过程中，送料结构可优选采用以下结构，其包括：固定座2、电动转盘4、两个第一液压缸5、两个放置板6、两个凸台7、两个定位部以及两个导向部；固定座2安装于底座1上，电动转盘4安装于固定座2上，两个第一液压缸5对称安装于电动转盘4上，两个放置板6安装于两个第一液压缸5伸缩端上，两个凸台7分别安装于两个放置板6上壁面上，两个定位部安装于两个放置板6下壁面上，两个导向部安装于两个第一液压缸5上；
48.其中需要说明的是：将聚合物放置在凸台7上，两个定位部工作，对聚合物进行固定，电动转盘4转动，是聚合物对准划线结构，第一液压缸5伸长，划线结构工作时，将待加工的聚合物放置在另一个凸台7上进行固定，工作效率高；
49.在具体实施过程中，定位部可优选采用以下结构，其包括：固定框8、第一电机9、对拉丝杆10、两个滑块11、两个第一支架12、丝杆模组13、第二支架14以及限位组件；固定框8安装于放置板6下壁面上，第一电机9安装于固定框8上，对拉丝杆10安装于第一电机9驱动端上，且对拉丝杆10活动插装于固定框8上，两个滑块11分别套装于对拉丝杆10上，两个第一支架12安装于两个滑块11上，丝杆模组13安装于放置板6下壁面上，第二支架14安装于丝杆模组13移动端上，限位组件安装于放置板6上；
50.其中需要说明的是：第一电机9工作，带动对拉丝杆10转动，两个滑块11带动两个第一支架12移动，对聚合物两侧进行固定，丝杆模组13工作，第二支架14对聚合物前端固定；
51.在具体实施过程中，限位组件可优选采用以下结构，其包括：支板15、两个第一气缸16以及限位板17；支板15安装于放置板6上，两个第一气缸16安装于支板15上，限位板17安装于两个第一气缸16伸缩端；
52.其中需要说明的是：两个第一气缸16工作，调节限位板17位置，对聚合物后端固定；
53.在具体实施过程中，导向部可优选采用以下结构，其包括：固定板18、伸缩杆19以及连接板20；固定板18安装于第一液压缸5上，伸缩杆19安装于固定板18上，连接板20安装于连接板20安装于伸缩杆19伸缩端，连接板20安装于放置板6下壁面上；
54.其中需要说明的是：在第一液压缸5伸缩过程中，伸缩杆19随之工作，对第一液压
缸5进行保护；
55.在具体实施过程中，划线结构可优选采用以下结构，其包括：机身框架21、第二液压缸22以及激光器本体23；机身框架21安装于底座1上，第二液压缸22安装于机身框架21内侧顶面上，激光器本体23安装于第二液压缸22伸缩端；
56.其中需要说明的是：第二液压缸22伸缩，调节激光器本体23与聚合物之间的距离，第一液压缸5伸长至聚合物对准激光器本体23，激光器本体23对聚合物进行划线；
57.在具体实施过程中，加气结构可优选采用以下结构，其包括：加气口24、第一电磁阀25、第二气缸26、转轴27、齿轮盘28、若干个通气管29、若干个第二电磁阀30、第二电机31以及主动齿轮32；加气口24插装于机身框架21上，第一电磁阀25安装于加气口24上，第二气缸26安装于机身框架21上，且第二气缸26伸缩端连接于加气口24一端外侧壁面上，转轴27活动插装于机身框架21上，齿轮盘28安装于转轴27一端，若干个通气管29呈圆形阵列状插装于齿轮盘28上，若干个第二电磁阀30安装于若干个通气管29一端，第二电机31安装于机身框架21上，主动齿轮32与齿轮盘28啮合的安装于第二电机31驱动端上；
58.其中需要说明的是：若干个通气管29分别用于输送空气、h2、o2、ar、sf6，第二电机31工作，主动齿轮32带动齿轮盘28转动，使需要通入的气体对准加气口24，第二气缸26伸长，使加气口24与通气管29连接，随后第一电磁阀25与第二电磁阀30开启，进行加气，加气完成后第一电磁阀25与第二电磁阀30关闭；
59.在具体实施过程中，密封结构可优选采用以下结构，其包括：四个电动滑轨33、两个开门34、四个凹槽以及四个密封垫3；四个电动滑轨33安装于机身框架21内侧壁面上，两个开门34安装于四个电动滑轨33移动端上，四个凹槽开设于两个开门34上，四个密封垫3安装于四个凹槽上；
60.其中需要说明的是：当第一液压缸5伸长至聚合物对准激光器本体23后，四个电动滑轨33工作，使两个开门34闭合，四个凹槽两两分别匹配第一液压缸5与伸缩杆19，四个密封垫3用于密封。
61.上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。