[发明专利]批量生产包括石墨烯的原子级薄二维材料的设备和方法

说明书

通过块体层状材料如石墨的分层生产石墨烯和类似原子级层状材料的设备；所述设备包括主泵，所述主泵将包含所述块体层状材料的颗粒的固体悬浮液的流体朝向包括流体导管(12)的芯部件(10)泵送，其中所述流体导管引导流体抵靠冲击头(16)；冲击头和导管被布置成使得在导管的端部和冲击头之间的环形间隙(202)，并且冲击头围绕物(26)延伸了流体在退出芯部件之前受到约束的区域。本发明描述了通过块体层状材料如石墨的分层来生产石墨烯和类似原子级层状材料的设备。该设备包括泵，其将流体引导抵靠冲击头并穿过500μm与1μm之间的环形间隙。这会导致差异剪切力，导致块体材料分裂成薄片。

本申请为国际申请WO2017/064496进入中国国家阶段的中 国专利申请201680059644.5的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于制造原子级薄二维材料(例如石墨烯)的方 法。具体而言，本发明涉及用于以商业上有用的量生产高质量、 无缺陷、未氧化的二维材料(例如石墨烯)的简单可扩展工艺。 这种材料将用于复合材料、涂层、热管理和电子器件应用中，在 这些应用中导电性、导热性、阻隔性和机械强度的性质是重要的。

背景技术

石墨烯是碳的二维同素异形体，由六边形结构的几个原子厚 度的片组成。这种材料的类似物可以包括其他化学物质，包括氮 化硼和二硫化钼。

石墨，广泛使用的矿物质实际上是石墨烯的结晶形式，其中 石墨烯各层通过范德华力结合在一起。石墨烯自2004年作为隔 离材料被发现以来引起了相当大的兴趣。该材料的新颖机械性 能、热性能和电性能表明了其多种用途。石墨烯可以在足够用于 实验分析的实验室规模上生产，但商业量的生产仍然是一个发展 中的领域。其他单层结构如氮化硼预计会在纳米技术领域表现出 类似的有趣特性。

Min Yi和Zhigang Shen编写了这项技术的综述，题为“′A review on mechanicalexfoliation for the scalable production of graphene”，Journal of MaterialsChemistry，A，2015,3,11700，提 供了关于关于石墨烯生产的技术现状。

自下而上的技术，如化学气相沉积和外延生长，可以产生具 有少量缺陷的高质量石墨烯。得到的石墨烯是电子器件的理想选 择。但是，这些薄膜生长技术的规模有限并且复杂，因此生产成 本昂贵，并且不能满足生产工业相关量的石墨烯的要求。

使用自上而下的技术已经证明以低成本大规模生产石墨烯， 由此通过石墨的直接剥离来生产石墨烯，有时悬浮在液相中。这 种工艺的起始材料是三维石墨，通过机械和/或化学方法分离以 显示几个原子厚的石墨烯片。

石墨烯的发现者使用的原始技术“Scotch Tape”可用于制备 高质量和大面积的石墨烯薄片。该技术使用胶带从石墨样品中拉 出连续的层。基于该方法制备的石墨烯样品，发现了石墨烯的许 多优异性能。但是，这种方法非常耗费人力和时间。它仅限于实 验室研究，似乎不适合放大工业生产。

三辊磨机技术是一种扩展Scotch Tape方法的方法，使用溶 解在邻苯二甲酸二辛酯(DOP)中的聚氯乙烯(PVC)作为移动 辊上的粘合剂，其可以提供连续剥离。虽然三辊磨机是一种已知 的工业技术，但是完全去除残留的PVC和DOP以获得石墨烯并 不容易，并且带来了额外的复杂性。

2008年，都柏林圣三一学院的Jonathan Coleman教授团队通 过石墨的超声波辅助液相剥落开发了石墨烯的高产量生产。以分 散在特定有机溶剂中的石墨粉末为起点，随后进行超声处理和离 心，得到石墨烯分散体。生产石墨烯的这种方法能够按比例放大， 但是一个缺点是生产的悬浮液的极低石墨烯浓度(大约0.01mg/ mL)，这不一定适用于批量生产。

此外，超声波处理器只能达到小体积所需的高功率密度，因 此难以扩大此过程以实现任何规模经济。相关公开可以在WO2013/010211A1中找到。

剪切力技术。