[发明专利]一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法及装置，属于材料处理领域。

背景技术

2004年由英国曼彻斯特大学的Novoselov等利用胶带剥离高取向石墨的方法获得，并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性。石墨烯的发现宣告了真正意义上独立存在的二维材料，与1985年发现的零维富勒烯(Fullerene)和1991年发现的一维碳纳米管(carbon nanotubes)，还有人们所熟知的sp³杂化的三维金刚石和sp²杂化的三维石墨，共同组成了一个碳系大家族，扩大了碳的同索异形体的范畴，也使人们对碳元素的多样性有了更深刻的认识。石墨烯是碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的新型碳材料，就像是一张由碳原子织成的由正六边形小孔构成的网，网的厚度只有0.335nm,仅为头发的20万分之一，是构建其他维数碳质材料(零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元，结构对称而完美。

石墨稀在不到十年的时间内已充分展现了理论研究和实际应用方面的无穷魅力，迅速成为科学研究领域最为活跃的研究前沿。这种特殊的二维结构导致石墨烯展现出各种特殊的性能。石墨烯在复合材料、纳米器件和储氢材料等领域得到了广泛的关注。过去十几年，很多种方法成功合成了碳包裹金属纳米颗粒，主要包括电弧放电法、化学气相沉淀法（CVD）、溶剂热法、高温热解法等。但是这些方法都有其固有缺点，电弧法所用设备较为复杂和昂贵，工艺参数不易控制，耗能大，成本高，实现大规模生产面临很大的挑战。与电弧放电法相比，CVD法的成本较低，产量和产率都比较高，但是前期前体的制备工艺比较复杂，提纯处理不方便。与其它方法相比较，冲击法的最大优点是常量大、速度快、效率高、节省能源和经济性。

近百年来全球的气候正在逐渐变暖，与此同时，大气中的温室气体的含量也在急剧增加。许多科学家都认为，温室气体的大量排放所造成的温室效应的加剧是全球变暖的基本原因，其中最主要的温室气体是二氧化碳。人类燃烧煤、油、天然气和树木，产生大量二氧化碳进入大气层后使地球升温，使碳循环失衡，改变了地球生物圈的能量转换形式。要阻止全球变暖，一方面应该降低二氧化碳的排放量；另一方面变废为宝，将二氧化碳转化为有用的碳材料，如金刚石、石墨稀等。干冰是二氧化碳的固体形态。冲击波提供了一种途径应对全球变暖问题，能够将干冰转化成有用的石墨稀。

发明内容

针对现有的石墨烯制备方法成本高、工艺复杂等问题，本发明的目的在于提供了一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法及装置，所述方法成本低，可工业化生产，适用于力学、电学、光学领域。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，包括如下步骤：

步骤一、将干冰作为碳源，将干冰和还原剂按2:1-4:1的质量比均匀混合制成粉体原料，将粉体原料压入含铜内衬的不锈钢样品盒压成初坯，初坯致密度为60%-70%；

所述还原剂为氢化钙、四氢铝锂或硼氢化钠；

所述铜内衬的厚度为1—3mm；

所述不锈钢样品盒壁厚为2—3mm；

致密度=粉体原料的压实密度/粉体本身的密度；

步骤二、用速度为2.58km/s-3.07km/s的飞片撞击不锈钢样品盒诱发化学反应得到样品，样品清洗后得到石墨稀。

样品清洗过程为：将样品放入含有50ml浓硝酸的烧杯，将烧杯放在磁力搅拌器上搅拌加热到80℃，搅拌24h溶去杂质得到黑色物质，并用去离子水反复洗涤至中性。将去离子水洗过后的样品，放置在真空干燥箱中烘干得到石墨稀。

步骤二中用炸药爆轰驱动的飞片撞击不锈钢样品盒诱发化学反应。

步骤二所述炸药可选为硝基甲烷液体。

一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法所用装置，包括：铝质雷管套、塑料上顶盖、PVC管、塑料下顶盖、不锈钢飞片、塑料定位环、不锈钢样品盒、铜垫片、铜内衬、不锈钢芯柱、空腔、不锈钢底座，其中：

不锈钢样品盒底设有铜内衬，铜内衬底部上方放粉体原料，粉体原料上方设有铜垫片，不锈钢芯柱旋入不锈钢样品盒中顶住铜垫片，铜垫片与粉体原料紧密接触，不锈钢芯柱和不锈钢样品盒侧面留有空腔，将不锈钢样品盒倒置装入不锈钢底座中的圆形槽中；

不锈钢底座上方设有塑料定位环，塑料定位环上方设有不锈钢飞片，不锈钢飞片上方设有塑料下顶盖，塑料下顶盖上方设有PVC管，PVC管上方设有塑料上顶盖，塑料上顶盖中心设有圆孔，放入铝质雷管套；铝质雷管套底部装传爆药，上方放雷管，雷管位于塑料上顶盖上方中部；