[发明专利]高度取向的腐殖酸膜和由其衍生的高度传导性石墨膜以及含有其的装置

说明书

一种高度取向的腐殖酸膜，其包含化学结合或合并的并且基本上彼此平行的多个腐殖酸(HA)或化学官能化腐殖酸(CHA)片，其中所述膜具有从5nm至500μm的厚度、不小于1.3g/cm3？的物理密度、具有如通过X射线衍射测定的0.4nm至1.3nm的平面间间距d？002#191的六方碳平面、和按重量计低于5％的非碳元素含量或氧含量。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年8月18日提交的美国专利申请号15/240,537和2016年8月18日提交的美国专利申请号15/240,543的优先权，将所述申请通过援引方式并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及石墨材料领域，并且更具体地涉及高度取向的腐殖酸膜和由其衍生的石墨膜。这种新的薄膜材料展现出异常高的热导率、高电导率和高拉伸强度的前所未有的组合。

背景技术

已知碳具有五种独特的晶体结构，包括金刚石、富勒烯(0-D纳米石墨材料)、碳纳米管或碳纳米纤维(1-D纳米石墨材料)、石墨烯(2-D纳米石墨材料)和石墨(3-D石墨材料)。碳纳米管(CNT)是指以单壁或多壁生长的管状结构。碳纳米管(CNT)和碳纳米纤维(CNF)具有大约几纳米到几百纳米的直径。其纵向、空心结构赋予材料独特的机械、电学和化学特性。CNT或CNF是一维纳米碳或1-D纳米石墨材料。

块体天然石墨是3-D石墨材料，每个石墨颗粒由多个晶粒(晶粒是石墨单晶或微晶)构成，这些晶粒具有界定邻近石墨单晶的晶界(无定形或缺陷区)。每个晶粒由彼此平行取向的多个石墨烯平面构成。石墨微晶中的石墨烯平面由占据二维六方晶格的碳原子构成。在给定的晶粒或单晶中，石墨烯平面在晶体学c-方向(垂直于石墨烯平面或基面)堆叠并且通过范德华力结合。虽然一个晶粒中的所有石墨烯平面是彼此平行的，但典型地一个晶粒中的石墨烯平面和相邻晶粒中的石墨烯平面是以不同取向倾斜的。换言之，石墨颗粒中的不同晶粒的取向典型地从一个晶粒到另一个晶粒不同。

石墨单晶(微晶)本身是各向异性的，沿基面中的方向(晶体学a-或b-轴方向)测量的特性与如果沿晶体学c-轴方向(厚度方向)测量的特性显著不同。例如，石墨单晶的热导率在基面内(晶体学a-和b-轴方向)可以最高达约1,920W/mK(理论值)或1,800W/mK(实验值)，但沿晶体学c-轴方向是小于10W/mK(典型地小于5W/mK)。进一步地，石墨颗粒中的多个晶粒或微晶典型地全部沿着不同的方向取向。因此，由不同取向的多个晶粒构成的天然石墨颗粒展现出在这两个极限值之间(即，典型地不比5W/mK高得多)的平均特性。

在许多应用中非常希望的是生产具有足够大的横向尺寸(即，大的长度和宽度)并且具有所有沿着一个希望的方向基本上彼此平行的石墨烯平面(或六方碳平面)的薄石墨结构。换句话说，非常希望的是具有一个大尺寸石墨膜(例如，多个石墨烯平面的完全一体化的层)，具有所有石墨烯平面的c-轴方向基本上彼此平行并且具有用于特定应用的足够大的长度和/或宽度。到目前为止，生产此种高度取向的石墨膜非常困难。尽管已经进行了一些尝试来通过繁琐的、耗能的且昂贵的化学气相沉积(CVD)，然后进行超高温石墨化来生产所谓的高度取向的热解石墨(HOPG)，但是HOPG的石墨结构仍然不充分对齐并且因此展现出显著低于理论预测的特性。

本发明针对一种新材料科学方法，所述方法从单独的腐殖酸或腐殖酸和石墨烯(包括氧化石墨烯、氟化石墨烯、氮化石墨烯、氢化石墨烯、掺杂硼的石墨烯、其他类型的掺杂石墨烯、以及其他类型的化学官能化石墨烯)的组合设计和构建了一类新的材料，在本文中被称为高度取向的腐殖酸膜(HOHA膜)。HOHA是由高度对齐的腐殖酸分子或它们的衍生物(六方碳原子的类似石墨烯或氧化石墨烯的2D平面)构成的薄膜结构，其中所有类似石墨烯或氧化石墨烯的平面基本上彼此平行。这些六方碳平面是比常规HOPG已经能够实现的好得多地对齐的。此种HOHA膜具有典型地从5nm至500μm、但更典型地从10nm至200μm、进一步更典型地并且优选地从100nm至100μm的厚度。在大多数情况下，HOGF具有按重量计0.01％-5％的氧量，但可以几乎不含氧。常规的HOPG不含氧。