[发明专利]一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法

说明书

本发明公开了一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法。所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。所述方法能够在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质，克服了传统传感器灵敏度低、寿命短，易衰减等缺陷，为空间钻探用石墨烯复合传感器提供了新的合成方法，为金属催化SiC合成石墨烯研究和应用提供了新的思路。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法。

背景技术

空间钻探是直接获取行星地质结构和矿产分布信息的唯一方法，而钻探信息的获取依赖于在硬质合金钻具表面的传感器。石墨烯复合传感器是应对传统传感器灵敏度低、寿命短，易衰减等缺陷的最佳选择，遗憾的是，至今尚未有一种公认的方法能在硬质合金表面原位合成石墨烯传感器基质来满足空间钻探的需要。

空间钻探中停钻、卡钻、钻具磨损等故障检测都需要硬质合金表面应变传感器来实时准确反馈扭矩、温度、转速等信息。传统的金属和半导体应变传感器灵敏度低、寿命差，受空间辐照和极端温度的影响性能易衰减。由石墨烯基质复合功能材料形成的石墨烯基应变传感器是一种理想的选项，具有灵敏度高和寿命长的特点。带有空心石墨烯球的石墨烯片层满足理想石墨烯基质对高比表面积的要求，通过降低应变传感器的尺寸和功耗来显著提高传感器的有效性。现有石墨烯基质合成中存在的主要问题有两个：(1)无法一步得到石墨烯基质。要先合成石墨烯片，再合成石墨烯球，且石墨烯片在使用期间需要在不同基材间转移。(2)石墨烯片转移带来的应用问题。转移产生杂质等缺陷使石墨烯基质的机械和电学性能降低；与基材之间结合力差，石墨烯易在使用期间从基材表面脱落。我们的想法是，利用硬质合金中的粘结相Co催化非晶SiC原位生长带有空心石墨烯球的石墨烯薄膜，满足原位生长石墨烯基质的要求。

石墨烯片转移期间带来的问题是困扰石墨烯基质应用的瓶颈，利用金属催化非晶SiC原位生长石墨烯基质有望真正获得所需要的石墨烯传感器。金属催化SiC是通过金属层中碳原子溶解析出形成石墨烯，退火是一种简单而有效的手段，退火温度直接影响金属催化石墨烯的层数。很少看到有关利用退火实现金属催化SiC原位生长石墨烯基质的系统报道：(1)利用非晶SiC取代价格昂贵的单晶SiC，通过金属催化原位生长石墨烯；(2)退火温度对生成石墨烯层数的影响；(3)石墨烯生成及层数变化过程中Si原子的作用机理。只有利用非晶SiC原位生长石墨烯，明确石墨烯层数变化及Si原子的作用机理，才能在所需基材上原位生长石墨烯基质。

发明内容

为了在硬质合金表面原位合成空间钻探所需要的传感器基质，本发明提供一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，通过所述方法，可以在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。

为实现上述目标，本发明采用以下技术方案：

一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。

所述硬质合金是指含有Co的硬质合金。

所述方法利用硬质合金中的粘结相Co催化非晶SiC原位生长带有空心石墨烯球的石墨烯薄膜，满足原位生长石墨烯基质的要求。

优选的，所述退火温度区间为1000℃-1150℃，在此温度区间内，石墨烯层数随退火温度升高而增加；退火温度升高，Co催化Si粒子挥发加剧，Co相增多，生成石墨烯的层数增加；Si粒子的作用实质是三个机理共同作用的结果，Si粒子含量影响金属Co的存在形式，导致石墨烯生成及层数变化。

优选的，退火处理时间为90分钟以上，达到退火时间后，硬质合金在真空环境中随炉冷却。