[发明专利]一种制备金刚石-石墨烯复合膜的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种制备金刚石-石墨烯复合膜的方法,尤其是一种通过化学气相沉积方法及对基体等生长参数的调控，实现石墨烯微观结构演变金刚石膜结构，从而制备出金刚石-石墨烯复合膜的方法。

背景技术

金刚石膜具有从远红外到紫外良好的透波性、极高的硬度、高的导热性、极好的耐热冲击性、化学稳定性等优异的综合性能，是目前已知材料中最好的红外窗口材料，因此它将是下一代最有潜力的红外窗口、整流罩等新型先进航空材料。美国空军已开发采用金刚石膜装备导弹整流罩，应用在新型高马赫数导弹并取得巨大成功。我国一些研究单位也开展了金刚石膜人工合成研究，由于金刚石膜生长机理的复杂性，我国有关这方面的研究和国外相比还有较大的差距。在异质基体上生长单质金刚石膜，由于在高的基体温度上生长及晶格间失配、金刚石膜和基体间过大的热膨胀系数的差异，导致生长的金刚石膜含有较多的缺陷。这些制备出的金刚石膜面积较小，晶粒尺寸较大，内应力大，且含有较多的无定型碳、非晶石墨等非金刚石杂质，透光性低，金刚石膜的综合性能较差，因此其应用领域具有一定的局限性，很难成为空天飞行器窗口材料或替代原来整流罩材料，并没有很好的表现出金刚石膜本身所具有的优异性能。

石墨烯是一种二维晶体，是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料。厚度仅为0.37nm。它是由英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年发现的。石墨烯具有一些独特的特性，如石墨烯是已知材料中最薄的一种，它基本上是透明的，而且有极好的导电性，石墨烯是零带隙半导体，具备独特的载流子特性。石墨烯结构非常稳定、非常牢固坚硬、石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时， 碳原子面就弯曲变形。这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。瑞典皇家科学院称，石墨烯将推动新型材料的研发，并引发电子产品的新革命，可广泛应用于透明光学器件、太空梯、纳电子器件、轻型显示屏，太阳能电池等领域。作为一种新“超级材料”，石墨烯可用于制造卫星、飞机、汽车，量子超级计算机的研发等。

通过在基体上首先生长出石墨烯，然后在石墨烯表层原子进行碳键空间自发演变成金刚石膜结构，从而可以实现金刚石膜内应力的充分释放，消除金刚石膜内缺陷，结合石墨烯和金刚石两者优异的综合性能，制备出的金刚石-石墨烯复合膜，具有优异的力学、电学和光学性能等，满足空天飞行器的红外窗口材料苛刻的性能要求。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种金刚石-石墨烯复合膜制备方法，以解决目前所知的技术制备出的单质金刚石膜不能满足其在特定领域实际应用的科学问题，以及为金刚石-石墨烯复合膜优异的综合性能得以体现。

为实现上述目的，本发明提供的金刚石-石墨烯复合膜制备方法，其主要步骤为：

1）采用金刚石粉、碳化硅、氮化钛等硬质纳米颗粒高速冲击刻蚀镍、硅、钼等基体，获得高表面能、高密度基体表面微纳坑，再注入高浓度活性氢原子对铜、镍、硅、钼等基体表面微纳坑进行进行进一步反应刻蚀，使基体形成具有特定结构的微坑，将需制备金刚石-石墨烯复合膜置于一导热性能好的铜质基材上；

2）通过对基体表面的微纳坑和表面能的分析， 计算在基体表面生长石墨烯对碳源气体所需的浓度，制备合理的冷却系统，获得均匀的合适的基体温度，诱导活性碳原子及活性碳原子基团在基体表面形核；

3)采用DCPJCVD技术，在经过纳米颗粒和反应刻蚀技术在曲面镍基体上首先生长石墨烯，控制石墨烯厚度，然后通过对碳源浓度，活性氢原子浓度及基体温度等的控制，实现在石墨烯表面碳键晶格类型的转化，进行金刚石膜生长，制备金刚石-石墨烯复合膜。

所述的制备方法中，基体材料取镍、铜、钼、碳化硅、硅或石墨等异质基体中的一种。

所述的制备方法中，碳源物质可为甲烷，乙醇、苯，一氧化碳等含碳物质中的一种或其它组合。

所述的制备方法中，首先对基体进行表面净化处理，采用丙酮、无水乙醇或相关的有机溶剂对基体进行1-30分钟的超声波清洗净化。

所述的制备方法中，采用粒径在10-1000nm的金刚石粉、立方氮化硼、碳化硅或氧化铝等硬质颗粒以100-500m/s速率高速冲击、刻蚀基体，获得高表面能、高密度基体表面微纳坑，进行表面超声波清洗净化之后，再导入高浓度活性氢原子对曲面镍基体表面微纳坑进行进一步反应刻蚀，使基体形成具有特定结构的微坑，激发石墨烯生长。