一种石墨烯金属导电材料的一体化生产装置的制作方法

1.本实用新型涉及石墨烯金属材料的生产设备领域，具体涉及一种石墨烯金属导电材料的一体化生产装置。


背景技术：

2.石墨烯作为一种具有高导电率、高电子迁移率的材料，其在传导、传输技术领域中的应用被人们寄予厚望。目前，人们已经尝试通过化学气相沉积法将碳源裂解后在金属箔的表面沉积生长形成石墨烯，从而得到石墨烯金属导电材料，其导电性能优异。在实际应用中，为了使石墨烯金属导电材料具备高导电率和更优的力学性能，通常需要将石墨烯金属导电材料进一步加工处理，使之成为板材，方便后续加工。然而，通常情况下，金属箔上生长石墨烯在一个腔室内完成，而对石墨烯金属导电材料的进一步加工处理是在另一个腔室内完成，这就导致金属箔需要在两个腔室之间转移，且为了避免金属箔在高温下接触空气被氧化，金属箔在转移前需要进行降温处理，而在转移后进行进一步加工处理时又要升温处理，如此，存在能源消耗大、热量浪费的问题，生产流程也较为繁琐。


技术实现要素：

3.本实用新型意在提供一种石墨烯金属导电材料的一体化生产装置，以解决现有技术中石墨烯金属导电材料的制造存在能源消耗大、热量浪费、生产流程较为繁琐的问题。
4.为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种石墨烯金属导电材料的一体化生产装置，包括一体化生长模压腔室，所述一体化生长模压腔室连通有管路系统，一体化生长模压腔室内设有加热系统、热压模具和用于固定金属材料的夹具，所述热压模具包括公模和母模，所述夹具位于公模和母模之间。
5.本方案的原理及优点是：实际应用时，本方案中的一体化生产设备，将石墨烯生长、热压成型集成在同一腔室内进行，避免了金属箔在两个腔室之间的转移，从而有效缩短了生产流程，提高了生产效率，减少了升温降温次数，降低了能耗，节约了能源。并且，由于本方案能够避免金属箔在两个腔室之间转移，因此，本方案还有效避免了金属箔与外界空气的接触，从而有效降低了金属箔的氧化和杂质的掺入，提高了石墨烯金属导电材料的质量。
6.可选地，所述一体化生长模压腔室外设有用于驱动公模的驱动机构一。
7.本方案中，利用驱动机构一驱动公模移动，从而实现公模与母模的合模。
8.可选地，所述一体化生长模压腔室外设有用于驱动母模的驱动机构二。
9.本方案中，利用驱动机构二驱动母模移动，从而实现公模与母模的合模。并且，由于公模由驱动机构一驱动，因此公模和母模分担合模所需的移动量，从而加快合模过程。
10.可选地，所述夹具为可伸缩夹具，可伸缩夹具在模压成型步骤中发生压缩。
11.本方案中，可伸缩夹具能够在模压成型步骤中发生压缩，于是，在可伸缩夹具发生压缩的过程中，相邻的两张金属材料之间的距离逐渐减小，但此时金属材料不会受到压合
力，相较于普通夹具而言，本方案大幅度减少了金属材料在热压模具合模过程中因固定在普通夹具上而被拉伸变形的量，从而大幅度降低了金属材料之间因拉伸变形而发生的摩擦程度，最终大幅度降低了生长在金属材料表面的石墨烯受到的破坏程度，从而进一步提高了石墨烯金属导电材料的导电性能。
12.可选地，所述可伸缩夹具包括四个以上的悬挂部，每个悬挂部包括若干第一杆和若干第二杆，第一杆的中心部位与第二杆的中心部位铰接，第一杆的顶端和底端分别与竖向上相邻的第二杆的端部铰接，第二杆的顶端和底端分别与竖向上相邻的第一杆的端部铰接。
13.本方案中细化了可伸缩夹具的结构，且本方案中的可伸缩夹具的结构简单。
14.可选地，所述悬挂部还包括固定板，靠近固定板的第一杆和第二杆的一端均水平滑动连接于固定板上。
15.本方案中，悬挂部还包括固定板，如此，便可以通过将固定板固定安装在一体化生长模压腔室内的方式，将悬挂部悬挂于一体化生长模压腔室内，进而将金属材料放于一体化生长模压腔室内进行石墨烯生长。
16.可选地，所述固定板可拆卸连接于一体化生长模压腔室内。
17.本方案中，固定板可拆卸连接在一体化生长模压腔室内，方便工作人员将悬挂部取出一体化生长模压腔室。
18.可选地，所述固定板上设有t型滑块，所述一体化生长模压腔室的内侧顶壁开设有供t型滑块水平滑动的t型滑槽。
19.本方案中，通过t型滑块和t型滑槽的滑动配合，实现固定板可拆卸连接于一体化生长模压腔室内。
20.可选地，所述公模或母模在合模过程中压缩所述可伸缩夹具。
21.本方案中，通过公模或母模压缩可伸缩夹具，无需设计额外的、用于压缩伸缩夹具的驱动机构，合理利用本方案中已有的结构。
22.可选地，所述一体化生长模压腔室的侧壁内设有冷却空腔，冷却空腔连通有进水管和出水管。
23.本方案中，通过进水管向冷却空腔内输入冷却水，冷却水吸收一体化生长模压腔室内的热量后通过出水管排出，从而实现对一体化生长模压腔室的降温，进而实现对热压成型后的石墨烯金属导电材料的降温，以便工作人员将降温后的石墨烯金属导电材料取出，提高石墨烯金属导电材料的生产效率。
附图说明
24.图1为本实用新型实施例一中石墨烯金属导电材料的生产设备的正视图；
25.图2为本实用新型实施例一中石墨烯金属导电材料的生产设备的半剖视图；
26.图3为本实用新型实施例一中金属铜箔挂在悬挂部上后的结构示意图；
27.图4为本实用新型实施例一中悬挂部压缩后的结构示意图；
28.图5为本实用新型实施例二中石墨烯金属导电材料的生产设备的半剖视图。
具体实施方式
29.下面通过具体实施方式进一步详细说明：
30.说明书附图中的附图标记包括：机架100、一体化生长模压腔室200、加热组件201、公模202、母模203、驱动机构一204、驱动机构二205、冷却空腔210、冷却封套220、密封门230、观察窗231、管路系统300、特气管路301、回填管路302、真空管路303、悬挂部400、第一杆401、第二杆402、固定板403、t型滑块404、金属铜箔500。
31.实施例一
32.本实施例基本如图1和图2所示：一种石墨烯金属导电材料的一体化生产装置，包括机架100和一体化生长模压腔室200，一体化生长模压腔室200通过螺栓固定安装在机架100上。一体化生长模压腔室200的前侧壁开设有进出料口，进出料口处转动连接有用于密封进出料口的密封门230，密封门230上设有观察窗231。
33.一体化生长模压腔室200连通有管路系统300，管路系统300包括特气管路301、回填管路302和真空管路303，特气管路301和回填管路302上均安装有阀门和流量控制器，真空管路303上安装有真空阀和真空压力表，真空管路303远离一体化生长模压腔室200的一端连通有真空泵。
34.一体化生长模压腔室200内设有加热系统、热压模具和用于固定金属材料的夹具。加热系统包括加热组件201、温度传感器和控制器，加热组件201用于一体化生长模压腔室200的腔内升温，温度传感器用于监测一体化生长模压腔室200内的温度，并将温度信号转换为电信号传输给控制器，由控制器根据接收到的电信号控制加热组件201的启闭。加热组件201可选电阻丝加热器或高频加热感应线圈，本实施例中，加热组件201为电阻丝加热器。由于利用传感器检测信号并将相关信号传输至控制器，由控制器根据接收到的信号控制执行元件动作是现有技术，因此此处不再赘述。
35.热压模具包括公模202和母模203，一体化生长模压腔室200外设有用于驱动公模202的驱动机构一204和用于驱动母模203的驱动机构二205，本实施例中，驱动机构一204和驱动机构二205均为液压缸，驱动机构一204和驱动机构二205均通过螺栓分别固定安装于机架100的顶端和底端。
36.夹具位于公模202和母模203之间，本实施例中，夹具为可伸缩夹具，可伸缩夹具在热压模具合模过程中发生压缩，可伸缩夹具包括四个以上的悬挂部400，本实施例中，悬挂部400的数量为四个，且四个悬挂部400两两分布在一体化生长模压腔室200内的左侧和右侧，位于同一侧的两个悬挂部400在水平纵向上排列整齐。结合图3所示，每个悬挂部400包括若干第一杆401和若干第二杆402，第一杆401的中心部位与第二杆402的中心部位铰接，第一杆401的顶端和底端分别与竖向上相邻的第二杆402的端部铰接，第二杆402的顶端和底端分别与竖向上相邻的第一杆401的端部铰接。悬挂部400的顶端设有固定板403，位于最顶部的第一杆401和第二杆402的顶端水平滑动连接在固定板403上，固定板403通过螺钉固定安装在一体化生长模压腔室200的顶壁上。本实施例中，第一杆401和第二杆402的数量均为十八根，本领域技术人员，可根据实际需求选择合适数量的第一杆401和第二杆402组装成可伸缩夹具。
37.一体化生长模压腔室200的侧壁内设有冷却空腔210，冷却空腔210连通有进水管和出水管，用以对一体化生长模压腔室200进行降温。一体化生长模压腔室200的外侧壁上
包裹有冷却封套220，对一体化生长模压腔室200外溢的热量进行冷却，使得生产设备的外部保持在25～30℃的状态。
38.具体实施过程如下：
39.s1、将金属材料放于一体化生长模压腔室内：向下拉伸悬挂部400使得悬挂部400伸长，由于第一杆401和第二杆402相互铰接，因此，悬挂部400伸长的同时，悬挂部400变细，将用于生长石墨烯的金属铜箔500(本实施例中的金属铜箔500有17张)的边缘部分打孔，打孔后，将17张金属铜箔500的孔洞穿过变细后的悬挂部400，再将17张金属铜箔500分离开并利用辅助工具将金属铜箔500支撑在悬挂部400之间，且使得每张金属铜箔500分别位于对应的第一杆401和第二杆402中心部位的铰接点，上述辅助工具包括竖板和插板，竖板上开设有若干供插板水平插入的插槽，向上分离一张金属铜箔500后，将插板插入对应的插槽内，从而支撑金属铜箔500，并使得金属铜箔500与对应的第一杆401和第二杆402的中心部位的铰接点相齐平，如此，将17张金属铜箔500分离好后(即17张金属铜箔500均与对应的第一杆401和第二杆402中心部位的铰接点相齐平)，施力使得悬挂部400压缩，其长度变短，从而使得第一杆401和第二杆402的底端间距变大(底端间距大于金属铜箔500的孔径)，从而将金属铜箔500悬挂在悬挂部400上，最后抽出辅助工具，完成将金属铜箔500放入一体化腔室内的操作，相邻两张金属铜箔500之间存在间距不会接触，金属铜箔500挂好后如图3所示。随后，关闭上下料口的密封门230。本实施例中，金属铜箔500的厚度为25μm。
40.s2、调节一体化生长模压腔室内的参数：打开真空管路303上的真空阀，启动真空泵(真空泵与真空管路303远离一体化生长模压腔室200的一端连通，本实施中未画出真空泵)，一体化生长模压腔室200内的空气经真空管路303被抽出，一体化生长模压腔室200的内压逐渐减小，直至一体化生长模压腔室200内的气压达到20pa后，关闭真空阀，并使得真空泵停止工作。随后，打开回填管路302上的阀门，通过回填管路302以350sccm的流量向一体化生长模压腔室200内回填氩气(本实施例中保护气体为氩气，在其他实施例中，可选择其他惰性气体作为保护气体)，直至一体化生长模压腔室200的内压恢复至常压；继续通过回填管路302以350sccm的流量向一体化生长模压腔室200内填充氩气，并再次打开真空管路303上的真空阀，以便氩气通过真空管路303排出，使得一体化生长模压腔室200内处于微正压状态。启动加热系统，加热组件201对一体化生长模压腔室200进行加热，使得一体化生长模压腔室200内的温度上升至1020℃。当一体化生长模压腔室200内的温度达到1020℃后，温度传感器将温度信号转化为电信号并传输至控制器，控制器控制加热组件201停止工作；当一体化腔室内的温度低于1020℃时，温度传感器将温度信号转化为电信号并传输至控制器，控制器控制加热组件201重新开始工作，从而使得一体化腔室内的温度保持在1020℃左右。
41.s3、石墨烯生长：打开特气管路301上的阀门，通过特气管路301以25sccm的流量向一体化生长模压腔室200内输入甲烷，并通过特气管路301以55sccm的流量向一体化生长模压腔室200内输入氢气，并利用加热系统，使得一体化生长模压腔室200内的温度上升至1060℃，进行石墨烯的生长。
42.s4、模压成型：甲烷和氢气输入20min后，关闭特气管路301上的阀门，停止甲烷和氢气的输入，继续输入氩气，并关闭加热系统。加热系统关闭后，一体化生长模压腔室200内的温度开始下降，当一体化生长模压腔室200内的温度下降至900℃时，驱动机构二205驱动
母模203向上移动，母模203与悬挂部400的底端相抵，并对悬挂部400施向上的推力，使得悬挂部400发生压缩(即夹具发生压缩)，悬挂在悬挂部400上的金属铜箔500随之发生移动，相邻的两张金属铜箔500之间的距离逐渐减小，直至悬挂部400压缩至极限后(如图4所示)，驱动机构一204驱动公模202向下移动，公模202与母模203合模，对金属铜箔500进行模压，模压的压力为30mpa。公模202和母模203合模后，将金属铜箔500截断，使得金属铜箔500脱离悬挂部400。
43.模压成型过程中，由于悬挂部400可发生压缩，因此，初始时母模203不会接触底层的金属铜箔500，也就不会对金属铜箔500施加作用力而使得金属铜箔500发生拉伸形变，也不存在相邻两张金属铜箔500之间因拉伸变形而发生摩擦的现象，只有在悬挂部400压缩到极致后，公模202向下移动与母模203的合模过程中，会对金属铜箔500施加压合力，因此，本步骤中，大幅度减少了金属铜箔500因固定在普通夹具上而被拉伸变形的量，从而大幅度降低了金属铜箔500之间因拉伸变形而发生的摩擦程度，最终大幅度降低了生长在金属铜箔500表面的石墨烯受到的破坏程度，从而进一步确保了石墨烯金属导电材料的导电性能。
44.s5、取料：模压成型后，驱动机构一204带动公模202向上移动复位，驱动机构二205带动母模203向下移动复位，同时，利用进水管向一体化生长模压腔室200的冷却空腔210内连续输入冷却水，冷却水吸收热量后从出水管流出，从而实现对一体化生长模压腔室200的降温。待一体化生长模压腔室200内的温度降低至室温后，打开密封门230，通过进出料口将石墨烯金属铜导电材料取出即可。
45.本实施例中，石墨烯生长步骤和热压成型步骤集成在一体化生长模压腔室200内进行，避免金属材料在两个不同的腔室之间转移，有效缩短了生产流程，提高了生产效率，减少了升温降温次数，从而降低了能耗，节约了能源。并且，还有效避免了金属材料与外界空气的接触，从而有效降低了金属材料的氧化和杂质的掺入，提高了石墨烯金属导电材料的质量。
46.不仅如此，本实施例中，由于可伸缩夹具(悬挂部400)能够在母模203的推动下发生压缩，因此，悬挂部400上相邻的两张金属铜箔500之间的距离逐渐变小，此过程中金属铜箔500不会受到压合力，相较于不可伸缩的普通夹具而言，本实施例大幅度降低了金属铜箔500因受到压合力而产生的拉伸形变量，从而大幅度降低了相邻两张金属铜箔500因形变而发生的摩擦程度，进而降低了金属铜箔500上石墨烯结构受到的破坏程度，进一步提高了石墨烯金属铜导电材料的导电性能。
47.实施例二
48.本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例中，固定板403可拆卸连接于一体化生长模腔室内，具体地，如图5所示，固定板403的顶端焊接有t型滑块404，一体化生长模腔腔室的内侧顶壁开设有供t型滑块404水平滑动的t型滑槽。
49.本实施例中，悬挂部400通过t型滑块404水平滑动连接在t型滑槽内，从而实现悬挂部400可拆卸连接在一体化生长模压腔室200内，以便工作人员将悬挂部400滑出一体化生长模压腔室200或取出一体化生长模压腔室200，在一体化生长模压腔室200外进行金属铜箔500的悬挂，操作空间更大，操作更为方便。
50.以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术
方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。