一种石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置的制作方法

1.本实用新型涉及石墨烯金属复合材料生产技术领域，具体涉及一种石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置。


背景技术：

2.目前，金属导体材料已经大量应用于电力传输、电子信息、电子设备等技术领域，随着科技的不断发展，上述技术领域对金属导体材料的传导性能提出了更高的要求。石墨烯是一种电子迁移率可达2
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105cm2/(v
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s)、弹性模量可达1.0tpa的材料，因此将石墨烯与金属复合制成高导电率的复合材料在近年来已成为研究热点。目前，人们已经通过化学气相沉积法将碳源裂解后在金属箔的表面沉积生长形成石墨烯，从而得到高导电率的石墨烯金属复合材料。
3.在实际应用中，为了使得石墨烯金属复合材料在具有高导电率的同时，具有更好的力学性能，通常会对石墨烯金属复合材料进行进一步加工处理，使之成为板材，从而方便后续加工。但通常情况下，金属箔上生长石墨烯的过程是在管式生长设备内完成的，而对石墨烯金属复合材料的进一步加工处理是在其他后处理设备内完成的，这就导致生长有石墨烯的金属箔需要在不同设备间转移，转移过程中，氧气、灰尘等物质对生长有石墨烯的金属箔造成影响，进而降低了石墨烯金属复合材料的导电率。并且，为了避免金属箔在高温下接触空气被氧化，金属箔在转移前需要进行降温处理(金属箔上生长石墨烯时，腔室内的温度可达1000℃)，而在转移后进行进一步加工处理时又需要升温处理，如此，存在能源消耗大、热量浪费的问题，且生产流程也较为繁琐，生产效率较低。
4.为了解决上述问题，我司研发出一种在同一腔室内进行石墨烯生长步骤和轧制成型步骤的石墨烯金属复合材料生长轧制一体化生产方法，但现有的石墨烯金属复合材料的生产装置无法适用于上述生产方法，因此，亟需设计一种能够适用于上述生产方法的生产装置。


技术实现要素：

5.本实用新型意在提供一种石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置，以解决现有技术中石墨烯金属复合材料的生产装置不适用于石墨烯金属复合材料生长轧制一体化生产方法的问题。
6.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置，包括一体化腔室，一体化腔室内划分为生长区和轧制区，生长区内设有用于固定金属材料的夹具以及用于分离金属材料与夹具的分离机构，轧制区内设有用于轧制金属材料的轧制机构，一体化腔室内设有用于将金属材料传输至轧制机构的传输机构。
7.本方案的原理及优点是：实际应用时，夹具将金属材料固定在生长区，金属材料生长石墨烯后，利用分离机构将金属材料与夹具分离，并利用传输机构将金属材料传输至位
于轧制区的轧制机构，实现金属材料(表面生长有石墨烯)的轧制，得到石墨烯金属复合材料。因此，本方案实现了石墨烯金属复合材料生长轧制一体化，避免了外界环境的不利影响，能适用于石墨烯金属复合材料生长轧制一体化生产方法。
8.可选地，所述夹具包括两个伸缩悬挂部，每个伸缩悬挂部包括若干第一杆、若干第二杆和若干固定支架，第一杆的中心部位与第二杆的中心部位铰接，第一杆的顶端和底端分别与竖向上相邻的第二杆的端部铰接，第二杆的顶端和底端分别与竖向上相邻的第一杆的端部铰接；所述固定支架的两端均开设有滑动槽口，第一杆与第二杆端部的铰接点受限于对应的滑动槽口，固定支架上设有若干用于固定金属材料的固定件。
9.本方案中，伸缩悬挂部由第一杆、第二杆和固定支架组合而成，且第一杆和第二杆在特殊位点铰接，第一杆和第二杆端部的铰接点受限于对应的固定支架上的滑动槽口，因此，当伸缩悬挂部受到外力作用时，伸缩悬挂部将会发生伸缩，相邻两个固定支架之间的距离将会变大或变小；又由于固定支架上设计了用于固定金属材料的固定件，因此，相邻两张金属材料之间的距离将会变大或变小。当相邻两个固定支架之间的距离变大时，方便工作人员将金属材料固定在夹具上；当相邻两个固定支架之间的距离变小时，方便分离机构分离金属材料和夹具。
10.可选地，所述分离机构包括设于固定支架底面的分离刀片和用于驱动所述伸缩悬挂部进行伸缩运动的驱动件一。
11.本方案中，由于分离机构中的分离刀片设置在固定支架的底面，因此，当相邻两个固定支架之间的距离变小时，分离刀片与位于分离刀片下方的金属材料之间的距离也在变小，随着距离的变小，分离刀片将裁切金属材料，使得金属材料脱离夹具而掉落在传输机构上，从而实现金属材料与夹具的分离。
12.可选地，所述驱动件一为驱动杆，驱动杆的一端与伸缩悬挂部中位于顶端的固定支架相连，驱动杆的另一端贯穿一体化腔室的顶壁，且驱动杆与一体化腔室的顶壁滑动密封连接。
13.本方案中，由于驱动杆与伸缩悬挂部中位于顶端的固定支架相连，因此，拉动驱动杆，即可实现伸缩悬挂部的伸缩，进而实现对金属材料的裁切，操作简单、方便。
14.可选地，所述传输机构包括若干可自转的传输辊轮，传输辊轮水平设置。
15.本方案中，利用转动的传输辊轮，将金属材料由生长区传输至位于轧制区的轧制机构处进行轧制。
16.可选地，所述轧制机构包括若干对轧制辊组，每对轧制辊组包括可自转的上轧制辊轮和下轧制辊轮，上轧制辊轮和下轧制辊轮均水平设置。
17.本方案中，利用多对轧制辊组实现对金属材料(表面生长有石墨烯)的多级轧制。
18.可选地，所述上轧制辊轮的上方设有用于驱动上轧制辊轮竖向运动的驱动组件。
19.本方案中，利用驱动组件驱动上轧制辊轮在竖向运动，从而改变对金属材料施加的轧制力，进而获得不同规格的石墨烯金属复合材料。
20.可选地，所述驱动组件包括驱动件二、竖杆和安装架，竖杆的一端与驱动件二的输出端连接，竖杆的另一端与安装架连接，所述上轧制辊轮转动安装于安装架上。
21.本方案中，细化驱动组件的结构，上轧制辊轮转动安装于安装架上，如此，上轧制辊轮既可以发生转动，也可以在竖向上运动。
22.可选地，所述一体化腔室连接有管路系统，管路系统包括特气管路、回填管路和真空管路，特气管路与生长区连通，回填管路和真空管路均与一体化腔室连通。
23.本方案中，通过特气管路向生长区通入工艺气体，从而在金属材料表面生长石墨烯；通过回填管路向一体化腔室内通入保护气体，避免一体化腔室内原有空气对金属材料产生不利影响；通过真空管路抽取一体化腔室内的气体，提高一体化腔室内气体的置换效率。
24.可选地，所述生长区内设有用于升高生长区内温度的加热系统一，所述轧制区内设有用于升高轧制区内温度的加热系统二。
25.本方案中，利用加热系统一实现对生长区的加热，以便生长区内的温度满足石墨烯生长过程中对温度的要求；利用加热系统二实现对轧制区的加热，以便轧制区内的温度满足金属材料轧制过程中对温度的要求。
附图说明
26.图1为本实用新型实施例中石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置的局部纵向剖视图；
27.图2为本实用新型实施例中伸缩悬挂部的结构示意图；
28.图3为本实用新型实施例中第一杆、第二杆和固定支架的连接结构示意图；
29.图4为图3中固定支架和分离刀片的右视图。
具体实施方式
30.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
31.说明书附图中的附图标记包括：机架100、一体化腔室200、生长区210、轧制区220、空腔230、进水管231、出水管232、冷却封套233、密封门240、特气管路301、回填管路302、真空管路303、伸缩悬挂部410、第一杆411、第二杆412、固定支架413、滑动槽口4131、固定销钉414、分离刀片501、驱动杆502、轧制辊组610、上轧制辊轮611、下轧制辊轮612、驱动件二621、竖杆622、安装架623、加热组件701、收料平台801、传输辊轮901。
32.实施例
33.本实施例基本如图1所示：一种石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置，包括机架100，机架100上固定连接有一体化腔室200，本实施例中，一体化腔室200通过螺栓固定安装于机架100上。一体化腔室200连通有管路系统，具体地，管路系统包括特气管路301、回填管路302和真空管路303，特气管路301和回填管路302上均安装有阀门和流量控制器，真空管路303上安装有真空阀和真空压力表，真空管路303远离一体化腔室200的一端连通有真空泵。特气管路301用于向一体化腔室200内通入工艺气体，回填管路302用于向一体化腔室200内通入保护气体。
34.一体化腔室200内划分为生长区210和轧制区220，生长区210内设有用于固定金属材料的夹具以及用于分离金属材料与夹具的分离机构。夹具包括两个伸缩悬挂部410，结合图2、图3和图4所示，每个伸缩悬挂部410包括若干第一杆411、若干第二杆412和若干固定支架413，本实施例中，第一杆411和第二杆412的数量为七根，固定支架413的数量为八个，需要说明的是，本领域技术人员，能够根据实际生产需要，选择合适数量的第一杆411、第二杆
412和固定支架413。第一杆411的中心部位与第二杆412的中心部位铰接，第一杆411的顶端和底端分别与竖向上相邻的第二杆412的端部铰接，第二杆412的顶端和底端分别与竖向上相邻的第一杆411的端部铰接；固定支架413的两端均开设有滑动槽口4131，第一杆411与第二杆412端部的铰接点受限于对应的滑动槽口4131，具体地，第一杆411和第二杆412端部的铰接通过销轴实现，销轴滑动连接于对应固定支架413上的滑动槽口4131内，从而使得固定支架413能够在竖向上发生移动；固定支架413上设有若干用于固定金属材料的固定件，本实施例中，固定件为固定销钉414，固定销钉414设于固定支架413的上表面，用于钩挂金属材料(金属材料的边缘部分打孔)。另外，本实施例中，位于最低端的固定支架413通过螺钉固定连接在一体化腔室200内。
35.分离机构包括设于固定支架413底面的分离刀片501和用于驱动伸缩悬挂部410进行伸缩运动的驱动件一，本实施例中，分离刀片501固定于固定支架413的底面，当伸缩悬挂部410处于拉伸状态时，分离刀片501与固定支架413上的金属材料之间存在距离，分离刀片501无法接触固定支架413上的金属材料，当伸缩悬挂部410处于压缩状态时，相邻两个固定支架413之间的距离变小，分离刀片501与固定支架413上的金属材料接触并裁切金属材料，使得金属材料脱离夹具。本实施例中，驱动件一为驱动杆502，驱动杆502的底端与位于最顶端的固定支杆连接，驱动杆502的顶端贯穿一体化腔室200的顶壁且与一体化腔室200的顶壁密封滑动连接，驱动杆502由液压缸驱动，使得驱动杆502在竖向上移动。
36.轧制区220内设有用于轧制金属材料的轧制机构，轧制机构包括若干对轧制辊组610，本实施例中，轧制机构包括三对轧制辊组610。每对轧制辊组610包括可自转的上轧制辊轮611和下轧制辊轮612，上轧制辊轮611和下轧制辊轮612均水平设置，上轧制辊轮611的上方设有用于驱动上轧制辊轮611竖向运动的驱动组件。本实施例中，驱动组件包括驱动件二621、竖杆622和安装架623，驱动件二621为液压缸，驱动件二621的输出端与竖杆622的顶端固定连接，竖杆622贯穿一体化腔室200的顶壁且与一体化腔室200的顶壁滑动密封连接，竖杆622的底端与安装架623固定连接，安装架623竖向滑动连接于轧制区220的侧壁上，上轧制辊轮611的两端分别转动连接于安装架623上。下轧制辊轮612由驱动电机一驱动。由左至右，轧制辊组610中上轧制辊轮611与下轧制辊轮612之间的间距逐渐减小。
37.生长区210内设有用于升高生长区210内温度的加热系统一，轧制区220内均设有用于升高轧制区220内温度的加热系统二，加热系统一和加热系统二均包括加热组件701、温度传感器和控制器，温度传感器用于监测一体化腔室200内的温度，并将温度信号转换为电信号传输给控制器，控制器控制加热组件701的启闭。由于利用传感器检测信号并将相关信号传输至控制器，由控制器根据接收到的信号控制执行元件执行动作是现有技术，因此，此处不再赘述。本实施例中，加热组件701为电阻丝加热器。
38.一体化腔室200内设有收料平台801和用于传输金属材料的传输机构。传输机构包括若干可自转的传输辊轮901，传输辊轮901均水平设置，传输机构横跨生长区210和轧制区220，相邻两个传输辊轮901之间的间距为10～30cm，本实施例中，相邻两个传输辊轮901之间的间距为30cm。传输辊轮901之间通过传动组件实现传动，具体地，传动组件为链轮和链条，每个传输辊轮901的端部同轴固定连接有链轮，链条包绕所有的链轮并与链轮啮合。其中一个传输辊轮901由驱动电机二驱动。收料平台801位于传输机构的右侧，且收料平台801的顶面与传输辊轮901的顶端相齐平。
39.一体化腔室200的侧壁内设有空腔230，空腔230连通有进水管231和出水管232，用以对一体化腔室200进行降温。一体化腔室200的外侧壁上包裹有保温层和冷却封套233，利用保温层减少一体化腔室200内热量的散失，并利用冷却封套233对一体化腔室200外溢的热量进行冷却，使得生产装置的外部保持在25～30℃的状态。
40.一体化腔室200的左侧壁开设有进料口，一体化腔室200的右侧壁开设有出料口，进料口和出料口均由密封门240通过密封法兰密封。
41.具体实施过程如下：
42.s1、将金属材料放于一体化腔室内：用于驱动驱动杆502的液压缸启动，液压缸驱动驱动杆502向上运动，由于驱动杆502的底端与位于最顶端的固定支架413连接，因此伸缩悬挂部410的顶端向上运动，伸缩悬挂部410伸长，相邻两个固定支架413之间的距离变大，以便工作人员将金属材料固定在夹具上。具体地，工作人员将用于生长石墨烯的金属铜箔的边缘部分打孔，使得金属铜箔的孔洞穿过固定支架413上的固定销钉414(位于最顶端的固定支架413上不钩挂金属铜箔)，完成金属铜箔的放置，即将金属铜箔固定在夹具上，且相邻两张金属铜箔之间存在距离不会接触。随后，由密封门240通过密封法兰密封进料口(确保出料口也处于密封状态)。本实施例中，金属铜箔的厚度为25μm。
43.s2、调节一体化腔室内的参数：启动真空泵，一体化腔室200内的空气经真空管路303被抽离，使得一体化腔室200内的气压p达到20pa，而后真空管路303上的真空阀关闭，真空泵停止工作。再打开回填管路302上的阀门，保护气体(本实施例中保护气体为氩气，且氩气的流量为300sccm)进入一体化腔室200内，待一体化腔室200的内压恢复至常压后，打开真空阀，以便多余的氩气通过真空管路303排出，使得一体化腔室200的内部处于微正压状态。而后，启动生长区210内的加热系统，生长区210内的加热组件701通电后对一体化腔室200进行加热，使得一体化腔室200内的温度上升至1020℃。当一体化腔室200内的温度达到1020℃后，温度传感器将温度信号转化为电信号并传输至控制器，控制器控制生长区210内的加热组件701停止工作。
44.s3、石墨烯生长：通过特气管路301向一体化腔室200内通入工艺气体(本实施例中，工艺气体是指甲烷和氢气，且甲烷的流量均为20sccm，氢气的流量为50sccm)，通入工艺气体期间，保持氩气的输入，生长区210内的加热系统也一直处于工作状态，从而使得一体化腔室200内的温度保持在1020℃，进行石墨烯生长。
45.s4、传输生长有石墨烯的金属材料：石墨烯生长完成后(即工艺气体通入一体化腔室200十分钟后)，关闭特气管路301上的阀门，继续通过回填管路302向一体化腔室200内通入氩气，关闭生长区210内的加热系统，并启动用于驱动驱动杆502的液压缸，液压缸带动驱动杆502向下运动，伸缩悬挂部410受到向下的推力而收缩，相邻两个固定支架413之间的距离变小，固定支架413底面的分离刀片501逐渐接近位于该分离刀片501下方的金属铜箔(表面生长有石墨烯)，最终，分离刀片501裁切金属铜箔，使得金属铜箔脱离夹具，且金属铜箔在重力作用下掉落至传输辊轮901上；然后，启动驱动电机二，传输辊轮901发生顺时针转动，从而将生长有石墨烯的金属铜箔由生长区210传输至轧制区220。
46.s5、轧制成型：石墨烯生长完后，关闭生长区210的加热系统，生长区210的加热系统关闭后，一体化腔室200内的温度开始下降，启动轧制区220的加热系统，从而确保轧制区220的温度保持在900℃，由传输辊轮901传输而来的金属铜箔(生长有石墨烯)进入第一对
轧制辊组610中，由上轧制辊轮611和下轧制辊轮612进行轧制，上轧制辊轮611和下轧制辊轮612的辊速相同，且上轧制辊轮611逆时针转动，下轧制辊轮612顺时针转动，轧制压力为20mpa。过程中，由于下轧制辊轮612由驱动电机一驱动，因此金属铜箔(生长有石墨烯)在下轧制辊轮612和传输辊轮901的传输下以50mm/s的速度前进。完成第一次轧制后，得到石墨烯金属铜复合材料粗品，石墨烯金属铜复合材料粗品继续由第二对轧制辊组610进行轧制，第二对轧制辊组610对石墨烯金属铜复合材料粗品的轧制压力为30mpa，得到石墨烯金属铜复合材料半成品。接着，石墨烯金属铜复合材料半成品继续由第三对轧制辊组610进行轧制，此过程中，第三对轧制辊组610对石墨烯金属铜复合材料半成品的轧制压力为40mpa，得到石墨烯金属铜复合材料成品(即石墨烯增强的金属复合材料)。石墨烯金属铜复合材料成品被传输至收料品台上放置。
47.s6、取料：轧制成型后，关闭轧制区220的加热系统，利用进水管231向一体化腔室200侧壁的空腔230内连续输入冷却水，冷却水吸收热量后从出水管232流出，从而实现对一体化腔室200的降温。待一体化腔室200的温度降低至室温后，打开出料口的密封门240，通过出料口将石墨烯金属铜复合材料取出，最后关闭回填管路302上的阀门，停止氩气的输入。
48.上述“s5、轧制成型”步骤中，由于每对轧制辊组610中的上轧制辊轮611在驱动件二621的驱动下能够发生竖向运动，因此，每对轧制辊组610的轧制压力可调，可获得不同规格的石墨烯金属复合材料。
49.另外，本实施例中，由于石墨烯生长步骤和轧制成型步骤集成于一体化腔室200内，无需在两个独立的设备之间转移金属材料，因此本实施例避免了氧气以及灰尘等物质对金属材料的影响，从而提高石墨烯金属复合材料的导电率；并且轧制过程中还利用了石墨烯生长步骤中产生的热量，减少了升温降温次数，避免了热量的浪费，节约了能源。
50.综上所述，本实用新型中的石墨烯增强的金属复合材料生长轧制一体化生产装置，实现了石墨烯金属复合材料生长轧制一体化，能适用于石墨烯金属复合材料生长轧制一体化生产方法。
51.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。