[发明专利]包覆二维原子晶体的基材、其连续化生产线及方法

说明书

技术领域

本发明属于防腐基材的制备领域，具体涉及一种包覆有二维原子晶体材料的基材，尤其涉及一种包覆有大面积的二维原子晶体材料的基材、其连续化生产线及生产方法。所述基材可以是金、银、铜、钯、铝、镁、锌等金属基材或非金属氧化物如二氧化硅、二氧化钛，或者是工程塑料等非金属基材。

背景技术

二维原子晶体是指一种只有单个或几个原子厚度的二维材料，从本质上来讲更象上一种巨大的二维分子，这种材料因为其绝对的二维结构而具备了令人意外的特性与功能。典型的二维原子晶体材料包括石墨烯材料、氮化硼材料。石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料；六方氮化硼（BN）与石墨是等电子体，具有白色石墨之称，具有类似石墨的层状结构，有良好的润滑性，电绝缘性导热性和耐化学腐蚀性，具有中子吸收能力。

现有技术报道，包覆石墨烯的多种金属（如铜、铁、钴、铂、镍、铱、金等），都可以明显改善其抗腐蚀性能，尤其对于金属铜效果更为显著，可以降低电化学腐蚀效率100倍以上。与传统的金属包覆防腐技术不同，CVD法制备的原子层石墨烯作为金属防腐包覆层，具有很多明显的优势：

①在分子结构和物理性质方面，石墨烯的碳原子排列是碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格排列构成的单原子层二维晶体，结构非常稳定，具有1Tpa的拉伸模量（刚度），强度比钢铁还要高100倍；与传统的抗腐蚀包覆薄膜材料相比，由于碳元素自身的超轻重量和化学惰性性质，石墨烯具有质量轻、更坚硬、性质更稳定的性能；

②在材料生长工艺方面，石墨烯的生长不受基材表面形貌限制，甚至可以跨越基材晶粒间的晶界和缺陷位置，以电荷转移引发的短程静电相互作用，完美地耦合包覆在基材外表面；

③在与基材材料的兼容性方面，由于石墨烯是柔韧性最好的材料（具有高达20%的弹性），因此可以几乎不受材料热膨胀系数不同所导致的异质材料结合力减弱问题影响，始终牢固地附着在基材表面；

④从防腐机理来看，石墨烯薄膜紧密耦合包覆在基材材料的外表面，形成具有原子级堆积密度的阻隔层，有效地限制电解质中的离子与金属的表面发生腐蚀反应，从而大幅度提高金属的防腐蚀能力。

现有的二维原子晶体材料的制备方法均是“间歇式”的生长模式，无法规模化生产，制备效率低，价格昂贵；且操作为非自动化，晶体材料的生长随机，工艺不稳定，重复性差。以石墨烯为例，其现有的制备方法有微机械分离法、氧化石墨还原法、SiC热解法、化学气相沉积法（CVD）等。化学气相沉积法制备石墨烯的过程是以甲烷、乙醇等含碳化合物作为碳源，在镍、铜等金属衬底上通过将碳源高温分解，然后采用强迫冷却的方式在衬底表面形成石墨烯的过程。

现有技术在宏量制备和应用二维原子晶体材料方面都面临着如下几个问题（1）缺乏连续化制备工艺；（2）缺少全流程自动化精确控制；（3）难以形成规模化应用平台。

现有技术在宏量制备和应用二维原子晶体材料方面也做了些研究。如新加坡国立大学石墨烯研发中心采用Cluster结构，将电感耦合化学气相沉积（ICP-CVD）、磁控溅射和电子束蒸发集成，通过输送样品到不同的功能腔室，形成“排队式”连续化制备石墨烯，但是设备工艺复杂，无法得到推广，而且制备效率依然很低。日本SONY公司将Roll-to-Roll技术集成到真空CVD设备中，如图1（图1为现有技术连续生产大面积石墨烯薄膜的设备）所示，可以连续化生产100米的石墨烯薄膜，但是获得的样品质量不高，而且石墨烯薄膜本身有很多裂缝，主要是由于装置设计不合理，导致样品传输过程中张力过大。

同时，现有制备包覆二维原子晶体材料基材的方法对基材依赖性强，只有特定的几种基材能够直接作为生长二维原子晶体材料的衬底，以石墨烯为例，只有能够与碳原子发生互溶并降温后可以冷却析出的基材（如铜、镍）才可以生长石墨烯，因此如何能够打破二维原子晶体材料的连续化生产对衬底基材的依赖也是本领域一个亟待解决的问题。

因此，本领域缺乏一种连续化生产大面积的二维原子晶体材料的方法，及生产设备，所述方法和设备能够在任何需要的基材上生长二维原子晶体材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种包覆二维原子晶体的基材的连续化生产线，所述生产线能够连续化制备包覆二维原子晶体基材，制备得到的包覆二维原子晶体的基材的长度可控，可以制备10米、50米、100米、500米、甚至1000米长的包覆二维原子晶体的基材，且制备得到的包覆二维原子晶体的基材具有较高的质量。