一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种冲击波处理干冰制备石墨稀方法及装置，属于材料处理领域。首先，选用干冰作为碳源，选用氢化钙、四氢铝锂或硼氢化钠作为还原剂，将干冰和还原剂按2:1-4:1的质量比例均匀混合制成粉体原料；然后利用炸药爆轰驱动飞片高速撞击产生的瞬时高温高压的方法对粉体原料进行冲击诱导化学反应，得到高质量的石墨稀。本发明是一种成本低廉，工艺简单，耗时短，可工业化生产的石墨稀的制备方法，并且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。
【专利说明】一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法及装置
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0007]一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，包括如下步骤:[0008]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% ；
[0009]所述还原剂为氢化钙、四氢铝锂或硼氢化钠；
[0010]所述铜内衬的厚度为I一3mm ；
[0011]所述不锈钢样品盒壁厚为2 — 3mm ；
[0012]致密度=粉体原料的压实密度/粉体本身的密度；
[0013]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。
[0014]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°C，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。
[0015]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。
[0016]步骤二所述炸药可选为硝基甲烷液体。
[0017]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:
[0018]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；
[0019]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；
[0020]PVC管和塑料下顶盖通过玻璃胶粘合一起，不锈钢飞片用502胶水粘合在塑料下顶盖圆形槽，将炸药装入PVC管中，雷管插入传爆药顶部中心，起爆雷管进行爆炸冲击处理。
[0021]本发明的有益效果为:
[0022]本发明提供了一种成本低廉，工艺简单，耗时短，可工业化生产的石墨稀的制备方法及装置，利用炸药爆轰驱动飞片高速撞击产生的瞬时高温高压，使干冰与还原剂在瞬间发生反应，从而得到石墨稀。本发明对于石墨稀的开发和应用具有重要的理论意义和实用价值。对于有效利用干冰合成有用的材料具有很好的指导意义，提供了一种全新的途径应对全球变暖问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]图1为冲击波合成石墨稀的装置`示意图；
[0024]图2为实施例1所得产物的X射线光电子能谱(XPS)图；
[0025]图3为实施例1所得产物的X射线衍射(XRD )图；
[0026]图4为实施例1所得产物的扫描电镜(SEM)图；
[0027]图5为实施例1所得产物的透射电镜(TEM)图；[0028]图6为实施例2所得产物的透射电镜图；[0029]图7为实施例3所得产物的透射电镜图；
[0030]图8为实施例4所得产物的透射电镜图；
[0031 ]图9为实施例5所得产物的透射电镜图；
[0032]图10为实施例6所得产物的透射电镜图。
[0033]注:图5、6、7、8、9和10中“L”表示石墨烯的层数。
[0034]其中，1-铝质雷管套、2-塑料上顶盖、3-PVC管、4_塑料下顶盖、5_不锈钢飞片、6-塑料定位环、7-不锈钢样品盒、8-铜垫片、9-铜内衬、10-不锈钢芯柱、11-空腔、12-不锈钢底座。
【具体实施方式】
[0035]为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0036]以下实施例所用冲击波合成石墨稀的装置如图1所示，所述装置包括:铝质雷管套1、塑料上顶盖2、PVC管3、塑料下顶盖4、不锈钢飞片5、塑料定位环6、不锈钢样品盒7、铜垫片8、铜内衬9、不锈钢芯柱10、空腔11、不锈钢底座12。所述装置连接关系为:
[0037]不锈钢样品盒7底设有铜内衬9，铜内衬9底部上方放粉体原料，粉体原料上方设有铜垫片8，不锈钢芯柱10旋入不锈钢样品盒7中顶住铜垫片8，铜垫片8与粉体原料紧密接触，不锈钢芯柱10和不锈钢样品盒7侧面留有空腔11，将不锈钢样品盒7倒置装入不锈钢底座12中的圆形槽中。
[0038]不锈钢底座12上方设有塑料定位环6，塑料定位环6上方设有不锈钢飞片5，不锈钢飞片5上方设有塑料下顶盖4，塑料下顶盖4上方设有PVC管3，PVC管3上方设有塑料上顶盖2，塑料上顶盖2中心设有圆孔，放入铝质雷管套I。铝质雷管套I底部装传爆药，上方放雷管。雷管位于塑料上顶盖2上方中部。
[0039]PVC管3和塑料下顶盖4通过玻璃胶粘合一起，不锈钢飞片5用502胶水粘合在塑料下顶盖4圆形槽，将炸药装入PVC管3中，雷管插入传爆药顶部中心。起爆雷管进行爆炸冲击处理，回收样品。
[0040]回收样品进行清洗过程为:将回收样品放入含有50ml浓硝酸的烧杯，将烧杯放在磁力搅拌器上搅拌加热到80°C，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。将水洗过后的样品，放置在真空干燥箱中烘干得到黑色粉末的实验产物。
[0041]飞片速度通过如下已知公式计算:
[0042]
【权利要求】
1.一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤一、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(9)的不锈钢样品盒(7)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(9)的厚度为I一3mm ； 所述不锈钢样品盒(7)壁厚为2 — 3mm ； 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。
2.根据权利要求1所述的一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，其特征在于:所述样品清洗过程为:把样品放入浓硝酸中加热溶解、过滤除杂，再用去离子水洗涤至中性，烘干得到石墨稀。
3.根据权利要求1所述的一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，其特征在于: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。
4.根据权利要求3所述的一种冲击波处理干冰制备石墨稀的方法，其特征在于:步骤二所述炸药为硝基甲烷液体。
5.一种如权利要求1所述的冲击波处理干冰制备石墨稀的方法所用装置，所述装置包括:铝质雷管套(I)、塑料上顶盖(2)、PVC管(3)、塑料下顶盖(4)、不锈钢飞片(5)、塑料定位环(6)、不锈钢样品盒(7)、铜垫片(8)、铜内衬(9)、不锈钢芯柱(10)、空腔(11)、不锈钢底座(12)，其中: 不锈钢样品盒(7)底设有铜内衬(9)，铜内衬(9)底部上方放粉体原料，粉体原料上方设有铜垫片(8)，不锈钢芯柱(10)旋入不锈钢样品盒(7)中顶住铜垫片(8)，使铜垫片(8)与粉体原料紧密接触压制成初坯，不锈钢芯柱(10)和不锈钢样品盒(7)侧面留有空腔(11)，将不锈钢样品盒(7)倒置装入不锈钢底座(12)中的圆形槽中； 不锈钢底座(12)上方设有塑料定位环(6)，塑料定位环(6)上方设有不锈钢飞片(5)，不锈钢飞片(5)上方设有塑料下顶盖(4)，塑料下顶盖(4)上方设有PVC管(3)，PVC管(3)上方设有塑料上顶盖(2)，塑料上顶盖(2)中心设有圆孔，放入铝质雷管套(I);铝质雷管套(I)底部装传爆药，上方放雷管，雷管位于塑料上顶盖(2)上方中部； PVC管(3)和塑料下顶盖(4)通过玻璃胶粘合一起，不锈钢飞片(5)用502胶水粘合在塑料下顶盖(4)圆形槽中，将炸药装入PVC管(3)中，雷管插入传爆药顶部中心，起爆雷管进行爆炸冲击处理。
【文档编号】C01B31/04GK103663439SQ201310612860
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月27日 优先权日:2013年11月27日
【发明者】陈鹏万, 尹昊, 徐春晓, 高鑫, 周强 申请人:北京理工大学