一种匀气模具及石墨烯纤维布制备装置的制作方法

1.本实用新型涉及石墨烯的生产制造技术领域，尤其涉及一种匀气模具及石墨烯纤维布制备装置。


背景技术：

2.传统导电织物包括金属导电织物、碳纤维及聚合物复合型导电织物，金属导电织物耐腐蚀性能差，电热转化效率差，碳纤维耐冲击性较差、不耐强酸，聚合物复合型导电织物的导电性有待提高。由于石墨烯同时兼具高导电、导热特性及机械柔性等优势，现有采用将石墨烯与纤维布复合可以有效实现高性能石墨烯纤维布复合材料的制备，该复合材料越来越广泛应用于电子电工、工业工程、保健、运动服装及航空等领域中。
3.现有石墨烯纤维布采用化学气相沉积法制备时，在将石墨烯生长需要的气体通入腔室后，碳源会发生一系列裂解反应变成活性碳物种，然后活性碳物种，会在层层分布的纤维布或者基片上拼接并生长为石墨烯，从而完成石墨烯纤维布的制备。
4.为了保证空间利用率，相邻两层纤维布之间排列比较紧密且层层分布的纤维布之间的距离不固定，即在重力作用下层与层之间的距离不固定，且存在靠近底端的纤维布排列紧密，顶端出现相对宽松的情况，但是不利于气流的分布；另外，位于上层的纤维布可能会对下层的纤维布进行遮挡，影响气流分布，使活性碳物种浓度分布不均，导致成品石墨烯纤维布均匀性不一致。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种匀气模具及石墨烯纤维布制备装置，保证气流均匀分布，保证纤维布表面石墨烯生长均匀性。
6.根据本实用新型的第一个方面，提供了一种匀气模具，包括：
7.顶板，所述顶板上设置有进气孔，所述进气孔用于通入反应气体；
8.底板，与所述顶板平行间隔设置，所述底板上设置有出气孔；
9.匀气支架，连接于所述顶板和所述底板之间，所述匀气支架用于纤维布的缠绕，在所述匀气支架内部设置有匀气通道，所述匀气通道分别连通于所述进气孔和所述出气孔并用于向所述纤维布输送所述反应气体，用于在所述纤维布表面形成石墨烯。
10.在本实用新型的一个实施例中，所述匀气支架包括多个相互套设的匀气筒，多个所述匀气筒的直径沿所述匀气筒的径向并远离所述匀气筒圆心的方向逐渐增加，所述纤维布分别绕设于多个所述匀气筒的圆周面上。
11.在本实用新型的一个实施例中，相邻两个所述匀气筒之间设置有间隙，在所述匀气筒上设置有通孔，位于最内层的所述匀气筒的内腔、所述通孔及所述间隙相互连通，形成所述匀气通道。
12.在本实用新型的一个实施例中，所述通孔的数量为多个，多个所述通孔的孔隙率沿匀气筒的轴向方向相同或逐渐变大或逐渐变小。
13.在本实用新型的一个实施例中，在所述匀气筒上沿其轴向方向开设有缺口，所述缺口用于所述纤维布的穿设。
14.在本实用新型的一个实施例中，所述匀气支架还包括固定柱，所述固定柱设置于位于最内层的所述匀气筒的内部，在所述固定柱上沿其轴向方向开设有安装槽，所述安装槽用于固定所述纤维布的端部。
15.在本实用新型的一个实施例中，所述进气孔的数量为m个，m个所述进气孔沿所述顶板的径向方向均匀分布；所述出气孔的数量为n个，n个所述出气孔沿所述底板的径向方向均匀分布。
16.在本实用新型的一个实施例中，在所述顶板的圆周面上开设有第一固定槽，在所述底板的圆周面上开设有第二固定槽，所述匀气支架沿其轴向方向的两端分别设置有第一连接块和第二连接块，第一连接件分别穿设于所述第一连接块和所述第一固定槽，第二连接件分别穿设于所述第二连接块和所述第二固定槽。
17.在本实用新型的一个实施例中，在所述顶板和底板彼此靠近的侧面上分别设置有第一卡槽和第二卡槽，所述匀气支架沿其轴向方向的两端分别卡接于所述第一卡槽和所述第二卡槽。
18.根据本实用新型的第二个方面，提供了一种石墨烯纤维布制备装置，包括管式炉和上述的匀气模具，所述管式炉设置有反应腔，所述反应腔的进口用于通入所述反应气体，所述反应腔的出口连通于所述匀气模具的所述进气孔。
19.本实用新型的有益效果：
20.本实用新型提供的匀气模具，通过在顶板和底板之间设置匀气支架，匀气支架用于纤维布的缠绕，匀气支架起到了对纤维布支撑的作用，与现有技术叠片结构相比，采用卷绕式结构，不会出现上层对下层进行遮挡干涉的情况，保证气流均匀分布，匀气通道分别连通于进气孔和出气孔，匀气通道起到了中间连通的作用，保证反应气体的流通性，匀气通道能够向纤维布输送反应气体，引导反应气体的流向，以在纤维布的表面生产形成石墨烯，从而完成石墨烯纤维布复合材料的制备。
21.本实用新型提供的石墨烯纤维布制备装置，包括管式炉和匀气模具，管式炉设置有反应腔，反应腔的进口用于通入反应气体，在反应腔的出口连通于匀气模具，匀气模具起到对反应气体分散的作用，使纤维布或基片表面上的石墨烯生产均匀。
附图说明
22.图1是本实用新型提供的匀气模具的结构示意图一；
23.图2是本实用新型提供的匀气模具的结构示意图二；
24.图3是本实用新型提供的匀气模具隐去顶板的结构示意图；
25.图4是本实用新型提供的匀气模具中顶板的结构示意图；
26.图5是本实用新型提供的匀气模具中底板的结构示意图；
27.图6是本实用新型提供的匀气模具中外层筒的结构示意图；
28.图7是本实用新型提供的匀气模具中内层筒的结构示意图。
29.附图标记说明如下：
30.1、顶板；2、底板；3、匀气支架；
31.11、进气孔；12、第一固定槽；13、第一卡槽；
32.21、出气孔；22、第二固定槽；23、第二卡槽；
33.31、匀气筒；32、匀气通道；321、通孔；322、间隙；323、内腔；
34.33、缺口；34、固定柱；341、安装槽；35、第一连接块；36、第二连接块。
具体实施方式
35.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
36.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
38.本实施例提供了一种石墨烯纤维布制备装置，用于石墨烯纤维布复合材料的制备。该石墨烯纤维布制备装置包括管式炉(图中未示出)和匀气模具，管式炉设置有反应腔，反应腔的进口用于通入反应气体。
39.在使用时，利用导气管将反应气体导入管式炉内，通过管式炉内的加热部件加热至预设温度之后，反应气体会发生一系列裂解反应变成活性碳物种，活性碳物种也是以气体的形式存在，然后活性碳物种在基片或纤维布的表面拼接生长成石墨烯。
40.需要说明的是，化学气相沉积的反应气体选自甲烷、乙烷、乙烯、乙炔、甲醇、乙醇中的一种或多种，反应气体的流量为0.05sccm～100sccm；还包括通入惰性气体或还原性气体于所述化学气相沉积体系，惰性气体选自氩气和氮气中的一种或多种，还原性气体为氢气。
41.为了进一步保证成品石墨烯的生产质量，在反应腔的出口连通于匀气模具，匀气模具起到对反应气体分散的作用，使纤维布或基片表面上的石墨烯生产均匀。
42.现有纤维布或基片为层层叠加设置，从上方通入的反应气体依次与不同层的纤维布和基片相接触，位于上层纤维布可能会对下层纤维布进行遮挡，且层叠设置的纤维布排列比较紧密，影响反应气体的均匀分布。
43.为了解决这个问题，本实施例还提供了一种匀气模具，如图1-图2所示，该匀气模具包括顶板1、底板2及匀气支架3，顶板1位于底板2的上方，顶板 1和底板2正对设置且平行间隔设置，在顶板1上设置有进气孔11，进气孔11 用于通入反应气体，在底板2上设置有出气孔21，出气孔21用于反应气体的流出。其中进气孔11连通于管式炉中反应腔的出口，即反应气体从管式炉流出后经进气孔11进入匀气模具内，最后从出气孔21排出。在顶板1和底板2之间设置有匀气支架3，匀气支架3的两端分别连接于顶板1和底板2，使顶板1、底板2及匀
气支架3三者之间形成整体结构，结构稳定性好。如图3所示，匀气支架3用于纤维布的缠绕，在匀气支架3内部设置有匀气通道32，匀气通道 32分别连通于进气孔11和出气孔21并用于向纤维布输送反应气体，以在纤维布表面形成石墨烯。
44.本实施例提供的匀气模具，通过在顶板1和底板2之间设置匀气支架3，匀气支架3用于纤维布的缠绕，匀气支架3起到了对纤维布支撑的作用，与现有技术叠片结构相比，采用卷绕式结构，不会出现上层对下层进行遮挡干涉的情况，保证气流均匀分布，匀气通道32分别连通于进气孔11和出气孔21，匀气通道32起到了中间连通的作用，保证反应气体的流通性，匀气通道32能够向纤维布输送反应气体，引导反应气体的流向，以在纤维布的表面生长石墨烯，从而完成石墨烯纤维布复合材料的制备。
45.下面分别对顶板1、底板2及匀气支架3三者一一进行详细介绍。
46.如图4所示，顶板1也可以称之为进气匀气盘，顶板1的厚度为0.5cm～1cm，顶板1的外形类似于圆盘结构，根据管式炉的尺寸可以对顶板1的直径进行调节，以保证顶板1和管式炉的匹配。顶板1上的进气孔11的数量为m个，m个进气孔11沿顶板1的径向方向均匀分布。具体地，如果进气孔11的数量为一个，该进气孔11的数量设置于顶板1的中心位置；如果进气孔11的数量为多个，其中一个设置于顶板1的中心位置，其余多个进气孔11多圈环设于中心周围，对于每圈而言，相邻两个进气孔11的圆心和中心形成的圆心角角度相同。通过在顶板1上分布多个进气孔11，进气孔11从顶板1的中心到边沿成均匀分布，可以使进入管式炉内的反应气体通过顶板1的进气孔11时分散均匀。
47.顶板1在保证匀气效果的同时，还需要实现与匀气支架3的固定，为此，如图3和图4所示，在顶板1靠近底板2一侧的侧面设置有第一卡槽13，第一卡槽13的深度大约为0.1cm～0.9cm，匀气支架3沿其轴向方向的顶端卡接于第一卡槽13，第一卡槽13起到对匀气支架3初始定位的作用，并能够实现顶板 1和匀气支架3之间的固定。
48.为了进一步保证顶板1和匀气支架3之间的固定效果，如图3和图4所示，在顶板1的圆周面上开设有第一固定槽12，在生产加工时，在顶板1的圆周面上沿其径向方向开设形成第一固定槽12。相应地，在匀气支架3沿其轴向方向的一端设置有第一连接块35，第一连接件具体为第一螺栓，第一连接件分别穿设于第一连接块35和第一固定槽12，采用螺栓连接的方式，结构简单，使用方便，且安装和拆卸方便。
49.在本实用新型的一个实施例中，第一固定槽12的数量为多个，多个第一固定槽12沿顶板1的周向均匀设置，使顶板1的外周壁形成齿轮结构。采用这种方式的目的是，第一，多个第一固定槽12为备选固定槽，防止单一固定槽损坏后不能进行安装的情况；第二，可以选择第一连接件和其中一个第一固定槽12 正对后在利用第一连接件进行固定，以达到调节匀气支架3的安装角度和安装位置的目的。
50.如图5所示，底板2也可以称之为出气匀气盘，底板2的厚度为0.5cm～1cm，底板2的外形类似于圆盘结构，根据管式炉的尺寸可以对底板2的直径进行调节，以保证底板2和管式炉的匹配。底板2上的出气孔21的数量为n个，n个出气孔21沿底板2的径向方向均匀分布，m和n的数量可以相同，也可以不同。具体地，如果出气孔21的数量为一个，该出气孔21的数量设置于底板2的中心位置；如果出气孔21的数量为多个，其中一个设置于底板2的中心位置，其余多个出气孔21多圈环设于中心周围，对于每圈而言，相邻两个出气孔21的圆心和中心形成的圆心角角度相同。通过在底板2上分布多个出气孔21，出气孔21从底板2的中心到
边沿成均匀分布，可以使进入管式炉内的反应气体通过底板2的出气孔21时分散均匀。
51.底板2在保证匀气效果的同时，还需要实现与匀气支架3的固定，为此，如图3和图5所示，在底板2靠近底板2一侧的侧面设置有第二卡槽23，第二卡槽23的深度大约为0.1cm～0.9cm，匀气支架3沿其轴向方向的底端卡接于第二卡槽23，第二卡槽23起到对匀气支架3初始定位的作用，并能够实现底板 2和匀气支架3之间的固定。
52.为了进一步保证底板2和匀气支架3之间的固定效果，在底板2的圆周面上开设有第二固定槽22，在生产加工时，在底板2的圆周面上沿其径向方向开设形成第二固定槽22。相应地，在匀气支架3沿其轴向方向的一端设置有第二连接块36，第二连接件具体为第二螺栓，第二连接件分别穿设于第二连接块36 和第二固定槽22，采用螺栓连接的方式，结构简单，使用方便，且安装和拆卸方便。
53.在本实用新型的一个实施例中，第二固定槽22的数量为多个，多个第二固定槽22沿底板2的周向均匀设置，使底板2的外周壁形成齿轮结构。采用这种方式的目的是，第二，多个第二固定槽22为备选固定槽，防止单一固定槽损坏后不能进行安装的情况；第二，可以选择第二连接件和其中一个第二固定槽22 正对后在利用第二连接件进行固定，以达到调节匀气支架3的安装角度和安装位置的目的。
54.如图3、图6及图7所示，匀气支架3包括多个相互套设的匀气筒31，多个匀气筒31的直径沿匀气筒31的径向并远离匀气筒31圆心的方向逐渐增加，即多个匀气筒31在顶板1上的投影为圆心环结构。本实施例以匀气筒31的数量为三个为例，三个匀气筒31分别为内层筒、中间层筒及外层筒，外层筒的内部同轴套设有内层筒和中间层筒，中间层筒位于内层筒和外层筒之间，可以理解的是，匀气筒31的具体数量可以根据实际生产情况进行调整。纤维布分别绕设于多个匀气筒31的圆周面上，通过设置多个相互套设的匀气筒31，使纤维布可以以螺旋形的方式进行缠绕，增加了纤维布和匀气支架3内反应气体的接触面积。
55.每个匀气筒31均为两端开口结构，从进气孔11流出的反应气体可以直接进入匀气支架3内。每个匀气筒31均为中空的柱形结构，采用这种方式的目的是，第一，反应气体可以从顶板1向底板2的方向填充整个匀气支架3，即采用这种贯通的结构，直接从上到下接触匀气支架3和纤维布，避免现有技术上层会对下层出现遮挡而影响纤维布位于靠近底板2的部分石墨烯生产不均的情况；第二，对于每个匀气筒31而言，其横截面尺寸相同，保证碳源气流沿匀气筒31 轴向方向分布的均匀性。
56.碳源气流在匀气支架3内填充的均匀性，需要在匀气筒31轴向方向和径向方向同时实现，为了实现反应气体沿匀气筒31径向方向分布的均匀向，相邻两个匀气筒31之间设置有间隙322，在匀气筒31上设置有通孔321，位于最内层的匀气筒31的内腔323、通孔321及间隙322相互连通，形成匀气通道32。
57.具体地，在顶板1的分流作用下，从进气孔11流出的反应气体分别释放至内层筒的内腔323、内层筒和中间层筒之间的间隙322或中间层筒和外层筒之间的间隙322，位于内层筒的内腔323的反应气体通过内层筒的通孔321和纤维布缠绕于内层筒的部分直接接触，位于内层筒和中间层筒之间的间隙322的反应气体通过中间层筒的通孔321和纤维布缠绕于中间层筒的部分直接接触，位于外层筒和中间层筒之间的间隙322的反应气体通过外层筒的通孔321和纤维布缠绕于外层筒的部分直接接触，最后剩余反应气体通过底板2的出气孔21排出，从而实现石墨烯在整个纤维布上的均匀生长。另外，位于内层筒的内腔323的反应
气体通过通孔321可以依次流动至中间层筒、外层筒内，实现层层分流作用，使得整个匀气支架3内部的气流分布均匀。
58.可以理解的是，各层匀气筒31的结构类似，区别仅在于，各个匀气筒31 的直径各部相同，且只有在外层筒的外壁的两端分别设置有第一连接块35和第二连接块36。
59.可以理解的是，由于多个匀气筒31在顶板1上的投影为圆心环结构，则顶板1的第一卡槽13和第二卡槽23的数量均为多个，多个第一卡槽13和多个第二卡槽23具体为同心环结构，每个匀气筒31的两端分别对应卡接于一个第一卡槽13和一个第二卡槽23。通过调节多个第一卡槽13的直径、多个第二卡槽 23的直径，对各个匀气筒31之间的相对位置进行调整，以调节位于相邻两个匀气筒31之间的间隙322，从而保证在该间隙322内的活性炭物种的分布均匀性，利于纤维布表面反应气体的均匀分布。
60.在本实用新型的一个实施例中，通孔321的数量为多个，多个通孔321的孔隙率沿匀气筒31的轴向方向相同或逐渐变大或逐渐变小，即通孔321的分布可以均匀分布，还可以由密到松或者由松到密分布，具体分布形式可以根据实际生产进行调整。对于每个通孔321而言，通孔321的直径尺寸也是可调的，通过调节通孔321的直径大小，达到调节反应气体流速的目的。
61.在本实用新型的一个实施例中，相邻两层匀气筒31的通孔321错位设置，与通孔321正对设置方式相比，流动路径不是直接沿匀气筒31的径向方向流动，而是曲线路径进行流动，通孔321错位设置相当于增加了反应气体的流动路径，保证反应气体和纤维布的接触充分性。
62.由于纤维布需要分别缠绕于多个匀气筒31上，为了保证缠绕的顺次性和流畅性，在匀气筒31上沿其轴向方向开设有缺口33，缺口33为直线型结构，缺口33的宽度大约为0.15mm～2mm，缺口33用于纤维布的穿设。缺口33为纤维布的穿设提供避让空间，使纤维布的自由端能够从其中一个匀气筒31的外壁上通过缺口33贴附于下一个匀气筒31，保证纤维布缠绕的连贯性。
63.如果只利用纤维布和匀气筒31之间的摩擦力，难以保证纤维布的固定效果，为了解决这个问题，匀气支架3还包括固定柱34，固定柱34设置于位于最内层的匀气筒31的内部，在固定柱34上沿其轴向方向开设有安装槽341，安装槽 341为直线型结构，安装槽341用于固定纤维布的端部，利用安装槽341可以对纤维布的端部进行固定，纤维布的自由端可以在匀气支架3上进行缠绕，避免纤维布在缠绕过程中出现跑偏的情况。
64.可以理解的是，对于纤维布的缠绕可以从内而外进行缠绕，也可以从外而内进行缠绕，其具体缠绕方式可以根据实际生产需要进行调整。
65.于本文的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”，仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
66.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。
67.此外，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会
理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。