一种气泡化学气相沉积法制备石墨烯粉体的设备的制作方法

本发明涉及石墨烯制备技术领域，涉及一种气泡化学气相沉积法制备石墨烯粉体的设备。

背景技术

目前主要的制备石墨烯的方法有机械剥离法、外延生长法、氧化还原法以及化学气相沉积法。化学气相沉积法以铜箔作为催化剂，向高温铜箔表面通入甲烷气体，即在铜箔表面沉积石墨烯薄膜。化学气相沉积法以铜箔作为催化剂，向高温铜箔表面通入碳源气体，即在铜箔表面沉积石墨烯薄膜。但CVD法制备石墨烯的产量受限于铜箔表面积且铜箔无法重复利用，很难连续生产，生产成本较高。对此，研究者对CVD法进行了改进，2017年电子科技大学唐永亮博士提出了一种改良的CVD方法，即气泡化学气相沉积法（Bubbling Chemical Vapor Deposition，B-CVD）。该方法将碳氢气体直接通入熔融铜中，形成含碳氢气体的气泡。碳氢气体在气泡表面分解为碳原子，碳原子在气泡表面组装为石墨烯，并随气泡到达熔融铜表面，石墨烯最后在气泡的作用下与熔融铜表面分离进入收集器中。随着气泡不断产生，实现石墨烯不断生长。而目前尚没有设备进行实际生产。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种气泡化学气相沉积法制备石墨烯粉体的设备，该设备可以进行实际连续生产。

一种气泡化学气相沉积法制备石墨烯粉体的设备，其包括：一个密封的腔体，腔体内设有用于将铜加热至熔融状态的加热装置；腔体连接有进气装置，进气装置将碳氢混合气体通入加热装置；腔体的一侧连接有收集装置，收集装置用于收集混合气体经反应生成的石墨烯。

优选地，腔体还连接有用于对反应产生的气体混合物冷却的冷却装置。

进一步地，所述冷却装置包括水冷装置，水冷装置包括水冷源、循环管以及水泵，循环管包括缠绕于腔体上端的水冷段，水冷段用于对进入收集装置的气体混合物进行降温。

进一步地，所述腔体包括腔身和盖体，腔身内连接有支架，支架包括与腔身连接的连接臂以及与连接臂连接的承接板，承接板的中部设有上穿孔，所述冷却装置包括中部的管体，管体的上端与承接板连接，承接板的中部设有中穿孔，盖板设有上穿孔；所述进气装置包括进气管，进气管依次穿过该上穿孔、中穿孔和管体；管体的侧面连接有呈螺旋设置的导向叶片；所述腔体的侧壁设有出气口，出气口位于导向叶片上端的一侧。

进一步地，所述管体的中部套设有中空的内胆，内胆的中部侧面设有环形槽，内胆的上端面设有缺口，所述内胆的中部套设有螺旋设置的冷却管，冷却管的上端穿过缺口并从盖体的上穿孔伸出并连接有冷却液循环装置。

进一步地，所述腔体连接有抽真空装置。

进一步地，腔体设有观察窗。

进一步地，所述加热装置包括坩埚，坩埚外设有加热线圈以及温度传感器；所述腔体设有进线窗并连接有与之配合的端盖。

进一步地，所述进气装置还包括设置在进气管下端的曝气器。

进一步地，所述进气管连接有气压计。

进一步地，进气装置还包括用于驱动进气管升降的升降机构，所述升降机构包括：固定于腔体的底座，底座连接有支撑块，支撑块连接有呈竖直设置的线性模组，线性模组连接有连接座，所述进气管与连接座固定连接。

进一步地，盖体与腔身之间设有紧固结构；所述紧固结构包括设置在盖体的上紧固块，上紧固块伸出盖体且设有侧面开口的活动槽；腔身连接有固定耳，固定耳铰接有能移入活动槽内的调节杆，调节杆的一端螺纹连接有紧固帽。

优选地，盖体与腔身之间设有密封结构，所述密封结构包括设置在盖体的密封槽，密封槽内设有密封圈。

进一步地，腔体设有用于将盖体顶起的顶起装置，顶起装置包括与盖体或底座连接的顶块，腔身连接有支撑座，支撑座连接有导向筒，导向筒内套设有顶杆，顶块设有与顶杆相配合的插孔；顶杆的下端连接有用于驱动顶杆升降的升降驱动机构。

进一步地，所述收集装置包括与腔体连接的收集管，收集管的末端连接有抽气装置；收集管的下端连接有多个收料斗，收料斗的下端连接有收料容器。优选地，收料容器与收料斗之间设于收料阀。

优选地，收集管的进料端连接有进料阀和气压计。

本发明的有益效果：本发明通过进气装置将碳氢气体导入加热装置，并在加热装置内与熔融的铜接触分解形成碳原子；碳原子聚积形成石墨烯并随着气流进入收集装置并被收集，使得石墨烯可以连续生产。

附图说明

图1为本实施例的一种示意图。

图2为本实施例的第二种示意图。

图3为图2的另一视角示意图。

图4为图1中腔体部分的示意图。

图5为图4的一种剖视示意图。

图6为加热装置、冷却装置配合的的一种示意图。

图7为冷却装置的一种示意图。

图8为图7的一种剖视图。

图9为冷却管的示意图。

附图标记为：

1——腔体；11——盖体；12——腔身；13——连接臂；14——承接板；15——出气口；16——观察窗；17——端盖；

2——进气装置；21——支撑块；22——连接座；23——进气管；24——曝气器；25——底座；26——线性模组；

3——加热装置；31——加热线圈；32——坩埚；33——绝热壳体；

4——收集装置；41——收集管；42——收料斗；43——收料容器；44——抽气装置；45——收料阀；46——气压计；47——进料阀；

5——紧固结构；51——上紧固块；52——活动槽；53——紧固帽；54——调节杆；55——固定耳；

6——顶起装置；61——顶块；62——顶杆；63——支撑座；64——导向筒；65——升降驱动机构；

7——冷却装置；71——导向叶片；72——管体；73——冷却管；74——内胆；。

8——抽真空装置；81——气压计；82——抽气管道。

具体实施方式

以下结合附图对发明进行详细的描述。如图1至图9所示。

实施例1：参见图1至图5；一种气泡化学气相沉积法制备石墨烯粉体的设备，其包括：一个密封的腔体1，腔体1内设有用于将铜加热至熔融状态的加热装置3；腔体1连接有进气装置2，进气装置2将碳氢混合气体通入加热装置3；腔体1的一侧连接有收集装置4，收集装置4用于收集混合气体经反应生成的石墨烯。优选地，腔体1还连接有用于对反应产生的气体混合物冷却的冷却装置7。

本技术方案将石墨烯的生产方法工业化；在生产过程中，可先将铜颗粒或铜粉等放置入加热装置3中，并形成熔化状态的铜液；然后气源的碳氢气体通过进气装置2通入到熔化的熔融铜内，生产方式1：气体在熔融铜中形成气泡，碳氢气体分解并组装形成石墨烯，石墨烯在铜表面形成并生长；2：碳氢气体在熔融筒内分解，碳原子并在铜表面聚聚生成石墨烯。同时气流将石墨烯从铜表面带走进入收集装置4。

申请人在收集石墨烯后，对石墨烯进行测试；发现石墨烯中含有微量的铜；在后期申请人可以通过一些技术手段将铜分离。但这样操作势必增加工序，降低生产效率；为此，申请人查阅相关技术文献，并没有找到在收集的同时时进一步的提纯石墨烯的方案。因此本申请人尝试设计了冷却装置7，发现能够在前期对气态铜进行冷凝，可以有效的降低铜的成分，气源可采用钢瓶装的压缩气体，也可以采用其他方式。

进一步地，所述冷却装置7包括水冷装置，水冷装置包括水冷源、循环管以及水泵，循环管包括缠绕于腔体1上端的水冷段，水冷段用于对进入收集装置4的气体混合物进行降温。水冷装置可以采用现有技术，通过水泵将水冷源的水泵入循环管内，水在循环管流动并回到水冷源；循环管的水冷段对腔体1的上端冷却，使得腔体1在与收集装置4连接部分的周围区域处于较低温状态，温度低于铜的沸点，使得铜蒸汽冷凝成铜水滴，粘接在腔体1侧壁；当然在实际应用中，可以使得腔体1在与收集装置4连接部分周围的温度更低，铜蒸汽直接冷凝为铜颗粒附着在腔体1侧壁。在具体设置冷却装置时，冷却装置的循环管不仅设置在腔体上端，盖体、腔体与收集装置连接处设置有有夹层，夹层内设置有用于水冷的循环管。

进一步地，所述腔体1包括腔身12和盖体11，腔身12内连接有支架，支架包括与腔身12连接的连接臂13以及与连接臂13连接的承接板14，承接板14的中部设有上穿孔，参见图7、图8；所述冷却装置7包括中部的管体72，管体72的上端与承接板14连接，承接板14的中部设有中穿孔，盖板设有上穿孔；所述进气装置2包括进气管23，进气管23依次穿过该上穿孔、中穿孔和管体72；管体72的侧面连接有呈螺旋设置的导向叶片71；所述腔体1的侧壁设有出气口15，出气口15位于导向叶片71上端的一侧。

本技术方案将进气装置2的进气管23和冷却装置7结合为一体；冷却装置7的管体72可通过螺钉与承接板14连接；混合气体中携带有石墨烯和铜蒸汽，顺着导向叶片71逐渐螺旋向上移动，在移动过程中，导向叶片71与混合气体进行热量交换，即对混合气体进行冷却，铜蒸汽在导向叶片71表面冷凝或固化，形成铜液滴或铜颗粒；起到初步过滤冷却效果；在此过程中，冷却装置7还与进气管23之间进行热交换；碳氢混合气体从气管进入加热装置3时，气管与碳氢混合气体进行热交换；这个过程相当于：反应后的混合气体通过冷却装置7、气管与碳氢混合气体进行热交换；随着反应的进行，碳氢混合气体进入时通过冷却装置7自行对反应后的混合气体冷却，达到冷却过滤的效果；其次，此过程中碳氢混合气体也被加热到高温，在进入熔融铜内时，相对吸收较小的热量，可以起到节省能量的效果。

参见图8，进一步地，所述管体72的中部套设有中空的内胆74，内胆74的中部侧面设有环形槽，内胆74的上端面设有缺口，所述内胆74的中部套设有螺旋设置的冷却管73，冷却管73的上端穿过缺口并从盖体11的上穿孔伸出并连接有冷却液循环装置。

在试验过程中，发现需要进气的混合气体不足以将反应后的混合气体降温至预定温度，本设计方案设置了循环冷却结构，冷却管73为管道从中间弯曲成两个半管，在进行螺旋弯曲套在管体72外；为了进一步的提高热交换效率，可以通过缺口向环形槽内灌入导热胶将环形槽填充慢，当然也可以填充其他导热物；其次为了方便测量其温度，可以通过在腔体1设置观察窗16，通过红外测温仪或其他测温仪对导向叶片71进行测温。冷却液循环装置可以为现有技术，如包括用于盛装冷却液的槽体，槽体内设有泵体，冷却管73的一端通过管道与槽体连接，冷却管73的另一端通过管道与泵体连接；优选地，槽体连接有散热装置或制冷装置，对槽体进行降温。

进一步地，所述腔体1连接有抽真空装置8。

在进行反应时，为防止空气的影响，本技术方案设置了抽真空装置8，在反应前将内部抽真空，然后通过进气装置2填充保护气，并恢复至常压。在具体设置时，腔体1连接有抽气管道82，抽气管道82连接有气压计81、阀门；抽气装置44的端部连接有真空泵。

参见图4，进一步地，腔体1设有观察窗16。

为方便观察，腔体1设有观察窗16，以方便观察内部变化。

参见图5，进一步地，所述加热装置3包括坩埚32，坩埚32外设有加热线圈31以及温度传感器；参见图2，所述腔体1设有进线窗并连接有与之配合的端盖17。

加热线圈31可以为感应线圈，感应线圈的接线从进行窗引出，温度传感器也从进线窗引出。优选地，加热线圈31外套设有绝热壳体33。电加热加热装置3还可以采用中频感应熔炼炉等。

进一步地，所述进气装置2还包括设置在进气管23下端的曝气器24。

设置曝气器24后，气泡直径小，气液界面直径小，气液界面积大，气泡扩散均匀，不会产生孔眼堵塞，耐腐蚀性强。

进一步地，所述进气管23连接有气压计。

进一步地，进气装置2还包括用于驱动进气管23升降的升降机构，所述升降机构包括：固定于腔体1的底座25，底座25连接有支撑块21，支撑块21连接有呈竖直设置的线性模组26，线性模组26连接有连接座22，所述进气管23与连接座22固定连接。

进气管23在工作前位于加热装置3的上方，当铜处于熔融状态时，进气管23在线性模组26的驱动下进入，进气管23的下端进入熔融的铜内；当结束时，在线性模组26的驱动下离开加热装置3。线性模组26可以是气缸、丝杆螺母等。

参见图3；进一步地，盖体11与腔身12之间设有紧固结构5；所述紧固结构5包括设置在盖体11的上紧固块51，上紧固块51伸出盖体11且设有侧面开口的活动槽52；腔身12连接有固定耳55，固定耳55铰接有能移入活动槽52内的调节杆54，调节杆54的一端螺纹连接有紧固帽53。

在生产期间，腔体1内处于高温，内部的气压较大；为将腔身12与盖体11之间连接紧密，本技术方案设置了紧固结构5；该紧固连接采用可调式结构；通过旋转紧固帽53调整紧固帽53的位置，紧固帽53与上紧固块51之间的挤压，将盖体11与腔身12紧密连接。

优选地，盖体11与腔身12之间设有密封结构，所述密封结构包括设置在盖体11的密封槽，密封槽内设有密封圈。

通过设置密封结构，密封内部的气体泄漏。

进一步地，腔体1设有用于将盖体11顶起的顶起装置6，顶起装置6包括与盖体11或底座25连接的顶块61，腔身12连接有支撑座63，支撑座63连接有导向筒64，导向筒64内套设有顶杆62，顶块61设有与顶杆62相配合的插孔；顶杆62的下端连接有用于驱动顶杆62升降的升降驱动机构65。

通过设置顶起装置6，在打开盖体11时，可以方便将盖体11顶起，操作方便。

升降驱动机构65可以为液压缸，也可以为凸轮机构等。其次，导向筒64设有内螺纹，顶杆62与导向筒64螺纹连接，升降驱动机构65为旋转驱动机构，驱动导杆旋转；导杆旋转的同时进行升降。此时旋转驱动机构可以为电机和传动机构，传动机构包括齿轮传动、皮带传动机构等。

进一步地，所述收集装置4包括与腔体1连接的收集管41，收集管41的末端连接有抽气装置44；收集管41的下端连接有多个收料斗42，收料斗42的下端连接有收料容器43。优选地，收料容器43于收料斗42之间设于收料阀45。

优选地，收集管41的进料端连接有进料阀47和气压计46。

收集装置4通过抽气装置44使得内部形成负压，将腔体1内的气体混合物抽取，气体混合物进入收集管41后，石墨烯在收集管41内沉淀，并随着气流移动，进入到各个收料斗42内；当收集容器将要满载时，将收料阀45关闭，然后更换收料容器43。其次，在收料初期，为避免收料装置影响到腔体1的真空度，在收集管41的前端设置了进料阀47；其次，为了方便调整收集速度，即抽气的速度，申请人设置了气压计46来观察气流速度。当然也可以将气压计46更换成气流计。

其中，收集管41包括若干水平段和若干竖直段，至少其中一竖直段的下端连接有所述收料斗42。

如图1、图2所示，在具体设置收集管41时，可以设置至少一段水平段以及至少一段竖直段；在收集时，石墨烯随着气流移动；其移动过程中，可能偏移或躲开了水平段连接的收料斗，不能被收集，为减少或避免该情况发生，申请人在竖直段的下端设置了收料斗42，这部分石墨烯在移动经过竖直段时，落入到该收料斗42中。

以上内容仅为发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对发明的限制。