本发明涉及石墨烯花，更特别涉及其形成方法与应用。
背景技术：
石墨烯具有良好的散热、导电及机械强度等优异性质。因此，石墨烯可用于散热胶、导热胶、或极强化复合材料等用途。传统化学法将石墨块拆解成少数层石墨烯(few-layer graphene)，需使用高温及消耗大量化学药品，且产率不高。电解法可制得少数层石墨烯，但电解耗时甚久，且电解过程会同时破坏石墨烯片，无法大量迅速制得石墨烯。另一方面，大部分形成石墨烯的制程都是形成片状的石墨烯，这些石墨烯难以与其他材料直接混合形成复合材料。
综上所述，目前亟需新的制程方法形成新型态的石墨烯。
技术实现要素：
本发明一实施例提供的石墨烯花的形成方法，包括：将碳氢气体与辅助气体导入变压式耦合等离子体设备；以及以变压式耦合等离子体设备施加电压至碳氢气体与辅助气体，使碳氢气体解离后再结合以形成石墨烯花，其中碳氢气体的解离率大于95％。
本发明一实施例提供的石墨烯花，包括：多个石墨烯片以非平行的方式互相交错，且石墨烯花的轮廓不具有平坦的表面。
本发明一实施例提供的复合材料，包括：100重量份的金属粉末；以及0.5至50重量份的石墨烯花，其中石墨烯花包括多个石墨烯片以非平行的方式互相交错，且石墨烯花的轮廓不具有平坦的表面。
本发明一实施例提供的复合材料，包括:100重量份的高分子粉末或液体；以及0.5至50重量份的石墨烯花，其中该石墨烯花，包括多个石墨烯片以非平行的方式互相交错，且该石墨烯花的轮廓不具有平坦的表面。
【附图说明】
图1为本发明一实施例中，石墨烯花的拉曼光谱。
图2为本发明一实施例中，石墨烯花的SEM照片。
【具体实施方式】
本发明一实施例提供石墨烯花的形成方法，包含将碳氢气体与辅助气体导入变压式耦合等离子体设备中。在现有技术中，变压式耦合等离子体设备会让反应物(如通入的气体与基板上的层状材料)具有高解离率，一般用于清洁制程或干式蚀刻用。本发明采用变压式耦合等离子体设备形成(而非破坏)某种型态的产物(如石墨烯花)，明显超出本领域技术人员对变压式耦合等离子体设备的预期。
在本发明一实施例中，导入变压式耦合等离子体设备中的碳氢气体可为甲烷、乙烯、乙炔、或上述的组合，而辅助气体包括氩气、氦气、氮气、或上述的组合。在本发明一实施例中，碳氢气体为甲烷。在形成石墨烯花的制程中，变压式耦合等离子体设备内的碳氢气体与辅助气体的总压力介于0.1托至20托之间。若总压力过大，则不容易匹配以点燃等离子体。若总压力过小，则无法有效量产石墨烯花。上述碳氢气体与辅助气体的摩尔比例取决于两者的流量比例。在本发明一实施例中，碳氢气体的流量介于0.1slm(标准升/分钟)至20slm之间，而辅助气体的流量介于1slm至50slm之间。在本发明一实施例中，碳氢气体与辅助气体的摩尔比介于1:20至1:2之间。若碳氢气体的流量过低且辅助气体的流量过高(即碳氢气体的摩尔比过低)，则无法有效量产石墨烯花。若碳氢气体的流量过高且辅助气体的流量过低(即碳氢气体的摩尔比过高)，则无法引燃等离子体。
接着以变压式耦合等离子体设备施加电磁波至碳氢气体与辅助气体，使碳氢气体解离后再结合以形成石墨烯花。变压式耦合等离子体设备的特色在于依据楞次定律的原理，可大幅提升感应线圈的电流密度，进而达到高解离率的效果。举例来说，变压式耦合等离子体设备可使上述碳氢气体的解离率大于95％。在本发明一实施例中，上述中频电磁波的频率介100kHz至3MHz之间。若电磁波的频率过低，则效率不佳；若电磁波的频率过高，则制作变压器耦合等离子体源成本过高。在本发明实施例中是采用一般商用规格400kHz的电磁波频率。在本发明一实施例中，上述施加中频电磁波步骤的功率大于1kW，比如介于1kW至50kW之间。若功率过小，则产能过低不符成本效益。若功率过大，则等离子体状态不容易稳定控制。值得注意的是，上述制程不需额外载体如基板，石墨烯花可直接形成于变压式耦合等离子体设备的腔室中。
在一实施例中，上述变压式耦合等离子体设备连接至收集器的一端，且收集器的另一端连接至泵浦。泵浦可将变压式耦合等离子体设备中的石墨烯花抽至收集器中。收集器中含有过滤器等收集装置。在其他实施例中，可搭配常见的集尘设备如吸尘器收集石墨烯花。
上述制程形成的石墨烯花包含以非平行的方式互相交错的石墨烯片。在一般形成石墨烯的现有技术中，石墨烯通常沉积于基板上。如此一来，形成的石墨烯的轮廓具有一平坦的表面对应基板的表面。由于本发明一实施例的石墨烯花系形成于变压式耦合等离子体设备的腔室(不需基板)中，因此石墨烯花的轮廓不具有平坦的表面。石墨烯花的轮廓表面为不规则的形状，且石墨烯花的粒径介于10nm至5mm之间。在本发明一实施例中，组成石墨烯花的石墨烯片为曲面结构或不规则的皱折结构。在本发明一实施例中，组成石墨烯花的石墨烯层数介于3至10层。上述石墨烯花的石墨烯层数可由拉曼光谱的2D/G的峰值比例确认。
一般制程形成的石墨烯层，即使经过机械粉碎成粉体，也无法与金属粉末直接混合。即使将粉碎后的石墨烯层与金属粉末混合，两者的混合物也会很快分层(上层为粉碎的石墨烯层，下层为金属粉末)。为了使石墨烯粉末与其他材料均匀混合，通常需改性或氧化石墨烯，但这会增加制程成本及可能劣化石墨烯与复合材料的性质。
本发明实施例制备的石墨烯花，可与金属粉末如铝粉直接混合。在本发明一实施例中，100重量份的金属粉末可与0.5至50重量份的石墨烯花混合形成复合材料。若石墨烯花的用量过低，则无法提升复合材料的性质。若石墨烯花的用量过高，则会使复合材料强度下降。在本发明一实施例中，金属粉末可为锂、钠、铝、铁、铜、银、镍、钴、钌、铑、钯、铂等、类似金属、上述的合金、或上述的组合。上述金属粉末的粒径可介于5nm至50μm之间，以达经济又致密的功效。若金属粉末的粒径过大，则不容易烧结致密，影响热传导。若上述金属粉末的粒径过小，则价格昂贵，不若混合颗粒效果好且经济。与未混有石墨烯花的金属粉末相比，上述复合材料具有大幅提升的导热性。
本发明实施例制备的石墨烯花，可与高分子粉末或液体直接混合。在本发明一实施例中，100重量份的高分子粉末或液体可与0.5至50重量份的石墨烯花混合形成复合材料。若石墨烯花的用量过低，则无法提升复合材料的性质。若石墨烯花的用量过高，则会使复合材料强度下降。在本发明一实施例中，高分子粉末或液体可为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、硅胶、甲苯、PU胶、或EA(乙酸乙酯)。上述高分子粉末的粒径可介于10nm至50μm之间，以达经济又致密的功效。若高分子粉末的粒径过大，则不容易混合均匀。若上述高分子粉末的粒径过小，则价格昂贵。与未混有石墨烯花的高分子粉末或液体相比，上述复合材料具有大幅提升的导热性。
为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举多个实施例配合所附图示，作详细说明如下：
实施例
实施例1
将流速为0.7slm的甲烷与流速为3slm的氩气通入6000瓦变压式耦合等离子体设备(厂牌:MKS型号: PARAGON AX7700)，上述气体的工作压力为8托。施加电压(电压为210V、功率为6000瓦、频率为400kHz)至上述气体，使碳氢气体解离(解离率>95％)且再结合成石墨烯花(产能>10g/小时，产率>45％)。上述石墨烯花的拉曼(Raman)光谱如图1所示，2D/G的峰值比例为约3/4，即石墨烯花的石墨烯片的石墨烯层数为约3～4层。图2为上述石墨烯花的SEM照片，由照片确定其为多个石墨烯片以非平行的方式互相交错而成。另一方面，石墨烯片为曲面结构或不规则的皱折结构。
实施例2
取铝粉(粒径20μm)经粉末冶金压成块状(3mm×30mm×30mm)后，以Hot Disk热传导分析仪检测其散热系数(23.9W/mK)。
取1重量份的实施例1的石墨烯花与100重量份的铝粉(粒径20μm)混合后，经粉末冶金压成块状(3mm×30mm×30mm)，再以Hot Disk热传导分析仪检测其散热系数(33.7W/mK)。与未混有石墨烯花的纯铝块相比，复合材料的散热系数提升了41％。
实施例3
以Hot Disk热传导分析仪检测市售散热膏Arctic MX-4，其散热系数为3W/mk。
取0.5重量份实施例1的石墨烯花与100重量份的散热膏Arctic MX-4混合后，再以Hot Disk热传导分析仪检测其散热系数(6.5W/mK)。与未混有石墨烯花的散热膏相比，复合材料的散热系数提升了117％。
虽然本发明已以多个实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保护范围应所附权利要求书所界定的范围为准。