[发明专利]激光冲击液体介质中碳材料制备石墨烯的装置与方法

说明书

本发明涉及一种激光冲击液体介质中碳材料规模化制备石墨烯的装置与方法，包括激光制备石墨烯系统，石墨烯在不同衬底上转移系统。高功率脉冲激光发生装置产生的激光经光镜反射后，激光束竖直聚焦于水溶液介质中的石墨块靶材上表面适当位置，在石墨靶材的两端加入一个直流电场，电压为直流24V，电场的一极为铜板固定在反应池的一端，另一端采用铜箔，并且由马达驱动铜箔按固定的速度移动，在激光冲击石墨的瞬间，会在石墨和水介质之间形成一个高温高压的等离子体，等离子体在电场的驱动下会附着在铜箔表面，连续不断的附着，铜箔连续不断的移动，最终达到持续大规模制备石墨烯的目的。

技术领域

本发明属于高效制备石墨烯技术，特指一种激光冲击液体介质中碳材料制备石墨烯的装置与方法。

背景技术

石墨烯近十年来倍受科研人员关注，它是一种只有单原子层厚度的新型碳纳米材料，单层厚度只有0.3554nm。石墨烯不仅具有纳米材料的独特性质，而且具有极高的硬度，是如今世界上我们所了解的强度最高的材料，抗拉强度为125GPa，弹性模量也达到1.1TPa之高。而且石墨烯在正常环境条件下的热导率为5x103W/（mK），这要比等同条件下铜的热导率高出一个数量级。石墨烯具有优良的光学透明度（光的吸收率只有2.3%），高导电率等及高达2630m²/g的理论比表面积。

激光能量在很短的时间内被聚集到一个点上，这一点处的激光功率密度极高，这一点的温度和压强迅速升高形成等离子体，在激光脉冲间隙，这个高温高压的等离子羽破灭，释放出足够的热量和能量，促使石墨晶体向石墨烯结构转变，这种石墨烯的制备过程在脉冲激光的极短时间内完成。然而，微小的石墨烯是无法真正发挥出它的优越性质的，因此，大尺寸、高效率石墨烯的制备的研究是有必要的。

在纳秒脉冲激光的作用下，石墨晶体在极短的时间内吸收大量的激光能量，并且受到周围水介质的限制，热量无法传输，在石墨表面形成高温高压的等离子体区，从而诱导石墨转变为石墨烯。转变过程主要分为两个阶段：第一阶段为升温升压过程，石墨表层碳原子之间的共价键断裂成自由碳原子；第二阶段为降温降压过程，碳原子之间通过sp2杂化形成石墨烯。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光冲击液体介质中碳材料制备石墨烯的方法与装置，用来提高石墨烯制备的效率。

本发明采用的技术方案为：激光冲击液体介质中碳材料制备石墨烯的装置，包括三维移动平台和反应容器，所述反应容器位于所述三维移动平台上，所述反应容器内设有高定向热解石墨块和丝杠，所述丝杠上螺纹连接支撑板，所述丝杠的末端安装第二电机，所述支撑板上安装有第二旋转轴和第一旋转轴，所述第二旋转轴上缠绕有铜箔，所述第一旋转轴上安装有第一电机，所述铜箔依靠所述第一电机的转动从所述第二旋转轴向所述第一旋转轴上缠绕运动；所述反应容器上方设有高功率脉冲激光发生装置，所述反应容器内设有铜柱，所述铜柱和所述第一旋转轴分别与电源的两极相连。

上述方案中，所述还包括流量调节器、储液箱和电泵，所述流量调节器一端与储液箱相连，另一端通过电泵与反应容器的入水口相连，所述反应容器的出水口与储液箱相连。

上述方案中，所述高功率脉冲激光发生装置发出的激光束通过准直扩束镜、全反镜后从激光加工头辐射到所述高定向热解石墨块上。

上述方案中，所述反应容器的出水口与储液箱相连，流量调节器一端与所述储液箱相连，另一端通过电泵与反应容器的入水口相连。

上述方案中，所述电源与电源变压器相连，所述三维移动平台、所述第一电机、所述第二电机和所述电源变压器均与数字控制器连接，所述数字控制器、所述高功率脉冲激光发生装置、所述流量调节器均与计算机连接。