CN106927705A - 一种在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用化学气相沉积法在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法。主要包括以下工艺步骤：1).清洗镀铜钢纤维；2).将镀铜钢纤维进行高温退火处理；3).调控化学气相沉积工艺参数和镀铜钢纤维位置；4).在镀铜钢纤维表面进行石墨烯生长，获得包覆均匀、厚度可控的石墨烯膜。该工艺流程简单易操作，镀铜钢纤维表面的石墨烯化学性质稳定，可以有效提高镀铜钢纤维在水泥基复合材料中的强度和耐腐蚀性，并可以作为水泥水化反应的形核点从而有利地促进水泥水化反应，使水泥形成致密的结构最终有效防止裂纹的产生提高水泥基复合材料的强度。在水泥基复合材料领域具有广阔的应用前景。

Description

一种在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法

技术领域

本发明涉及在在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法，属于材料化学制备技术领域。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化形成的具有蜂窝状晶体结构二维纳米材料，独特的晶格结构使其具有优异的力学、电学、光学和热学性能。石墨烯在场效应晶体管、高频电子器件、透明导电薄膜、复合材料、储能材料、电化学传感器等方面具有广阔的应用前景。

目前制备石墨烯的方法主要有微机械剥离法、SiC外延生长法、氧化还原法以及化学气相沉积法。化学气相沉积法主要是在高温条件下利用铜箔催化碳源裂解并在铜箔表面反应生成石墨烯薄膜。与氧化还原法制备得到的石墨烯相比较，化学气相沉积法石墨烯缺陷较少具有更完美的晶格结构，所以化学气相沉积法石墨烯具有更高的质量和优异的导电性。由于石墨烯超常的物理和化学性质，其在复合材料领域的应用研究越来越多，特别在建筑材料领域也得到越来越广的应用。研究表明与纳米材料(碳纳米管、石墨烯)结合会改变水泥的微观性能。在水泥浆中引入纳米材料可以减少孔隙率和水化速度导致产生更强和更耐久的产物。高的比表面积使纳米材料可以有效的控制水泥基复合材料的微裂纹的扩展。

一般水泥基材料属于脆性材料，它的抗拉、抗折强度低，脆性大，易开裂。因此，在水泥基材料中掺入镀铜钢纤维可以强化韧化水泥，从而提高水泥基材料的抗裂纹扩展能力和耐久性。但同时镀铜钢纤维与水泥基材料结合时又存在界面结合易于腐蚀等问题，所以利用化学气相沉积法在镀铜钢纤维表面生长的石墨烯包覆膜可以有效改善这些问题。

本发明以镀铜钢纤维为基底，通过化学气相沉积法在其表面生长石墨烯包覆膜，可以有效提高镀铜钢纤维在水泥基复合材料中的强度和耐腐蚀性，并可以作为水泥水化反应的形核点从而有利地促进水泥水化反应，使水泥形成致密的结构最终有效防止裂纹的产生提高水泥基复合材料的强度。在水泥基复合材料领域具有广阔的应用前景。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种可以有效解决钢纤维与水泥基复合材料界面结合问题并改善材料脆性和耐腐蚀性的方法。该方法利用化学气相沉积法在镀铜钢纤维表面生长石墨烯包覆膜可以改善水泥基材料的微裂纹的扩展从而能够提高水泥基复合材料的韧性。

技术方案：为实现上述的目的，本发明的一种在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法采用的技术方案为：

将镀铜钢纤维用水清洗后悬空放入石英管中并在管式炉中进行一段时间的退火，之后在管式炉中通入载气和碳源气体通过常压化学气相沉积法在镀铜钢纤维表面生长石墨烯；

其中：

所述镀铜钢纤维的的长度为1-13mm、直径为0.1-0.5mm。

所述的载气为氩气和氢气，碳源气体为甲烷。

所述的常压化学气相沉积法包括以下四个过程：

1)升温过程：升温阶段的开始温度为室温,升温速率为10℃/min,结束温度为900-1050℃，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm；

2)退火阶段的温度为900-1050℃，时间为20-30min,氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

3)生长阶段的温度为900-1050℃，时间为10-20min,氩气、氢气、甲烷的流量分别为200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。

4)降温过程的降温速率为20℃/min，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

与其他制备石墨烯的方法相比，化学气相沉积法制备的石墨烯结晶性好、质量高具有较少的结构缺陷从而可以有效减少水泥基体材料对镀铜钢纤维的腐蚀作用，提高了石墨烯包覆的镀铜钢纤维的耐久性。同时，由于化学气相沉积的石墨烯包覆膜与镀铜钢纤维表面的铜箔之间的结合力较高，可以有效避免水泥基材料与未沉积石墨烯包覆层的镀铜钢纤维之间存在的界面结合弱问题。

有益效果：通过石墨烯与钢纤维的协同作用可以有效提高镀铜钢纤维在水泥基复合材料中的强度和耐腐蚀性，并可以作为水泥水化反应的形核点从而有利地促进水泥水化反应，使水泥形成致密的结构最终有效防止裂纹的产生提高水泥基复合材料的强度。在水泥基复合材料领域具有广阔的应用前景。与传统的镀铜钢纤维增强水泥基石墨烯复合材料相比，本发明制备的高质量石墨烯包覆层具有稳定的物理化学性质从而可以进一步提高镀铜钢纤维在水泥材料中的耐蚀性，同时石墨烯包覆层作为增强纤维与水泥基体的界面过渡材料提高了界面稳定性与界面结合力，从而能抑制水泥材料中微裂纹的产生与拓展。因此，水泥基材料的强度和韧性都得到了提高。

具体实施方式

A.镀铜钢纤维的清洗：

将镀铜钢纤维先用丙酮超声清洗5-15min,然后用乙醇超声清洗5-15min,再用去离子水超声清洗10-20min，最后用氮气将清洗完成的镀铜钢纤维吹干备用；

B.镀铜钢纤维表面石墨烯的制备：

将吹干备用的镀铜钢纤维悬空放入石英管中，打开真空泵使真空降至5-15Pa再用氩气回填至常压。设定好加热程序后开始加热。加热过程分为以下四个连续阶段:

1)升温阶段的开始温度为室温,升温速率为10℃/min,结束温度为900-1050℃，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

2)退火阶段的温度为900-1050℃，时间为20-30min,氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

3)生长阶段的温度为900-1050℃，时间为10-20min,氩气、氢气、甲烷的流量分别为200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。

4)降温过程的降温速率为20℃/min，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

降温过程结束后取出制备完成的镀铜钢纤维，完成整个制备过程。

实施方案1：

1)将镀铜钢纤维放入盛有5-20ml的丙酮烧杯中超声清洗5-15min,之后将镀铜钢纤维从丙酮中捞起放入乙醇中超声清洗5-15min，将镀铜钢纤维捞起放入去离子水中超声清洗10-20min，最后用氮气吹干备用。

2)将吹干的镀铜钢纤维放入石英舟中,之后将镀铜钢纤维和石英舟装载进气相沉积***的石英管中，之后用法兰密封石英管，之后打开真空泵将石英管中的真空抽到5-15Pa，最后使用氩气将石英管回填至常压。

3)石英管回填至常压后开始加热过程。首先，以10℃/min的加热速度将石英管加热到900℃，保持此过程中氩气和氢气的流量分别为100sccm、20sccm.

4)温度达到900℃后开始退火过程，保持20min完成退火过程，以去除镀铜钢纤维表面的氧化物,退火过程中氩气和氢气的流量分别为100sccm、20sccm。

5)退火过程结束后开始生长过程，生长过程中温度保持900℃不变，生长时间为10min,生长过程中氩气、氢气、甲烷的气体流量分别为200sccm、40sccm、4sccm。

6)生长过程结束后，石英管以20℃/min的速率降温至室温，降温过程中的氩气和氢气的流量分别为100sccm、20sccm。降温结束后从石英管中取出镀铜钢纤维完成其表面石墨烯的制备。

实施方案2：

1).同于实施方案1的步骤1)。

2).同于实施方案1的步骤2)。

3).石英管回填至常压后开始加热过程。首先，以10℃/min的加热速度将石英管加热到1000℃，保持此过程中氩气和氢气的流量分别为150sccm、30sccm.

4).温度达到1000℃后开始退火过程，保持24min完成退火过程，以去除镀铜钢纤维表面的氧化物,退火过程中氩气和氢气的流量分别为150sccm、30sccm。

5).退火过程结束后开始生长过程。生长过程中温度保持1000℃不变，生长时间为14min,生长过程中氩气、氢气、甲烷的气体流量分别为240sccm、50sccm、5sccm。

6).生长过程结束后，加热结束，石英管以20℃/min的速率降温至室温，降温过程中的氩气和氢气的流量分别为150sccm、30sccm。降温结束后从石英管中取出镀铜钢纤维完成其表面石墨烯的制备。

实施方案3：

1).同于实施方案1的步骤1)。

2).同于实施方案1的步骤2)。

3).石英管回填至常压后开始加热过程。首先，以10℃/min的加热速度将石英管加热到1020℃，保持此过程中氩气和氢气的流量分别为180sccm、40sccm.

4).温度达到1020℃后开始退火过程，保持28min完成退火过程，以去除镀铜钢纤维表面的氧化物,退火过程中氩气和氢气的流量分别为180sccm、40sccm。

5).退火过程结束后开始生长过程。生长过程中温度保持1020℃不变，生长时间为18min,生长过程中氩气、氢气、甲烷的气体流量分别为280sccm、80sccm、8sccm。

6).生长过程结束后，加热结束，石英管以20℃/min的速率降温至室温，降温过程中的氩气和氢气的流量分别为180sccm、40sccm。降温结束后从石英管中取出镀铜钢纤维完成其表面石墨烯的制备。

实施方案4：

1).同于实施方案1的步骤1)。

2).同于实施方案1的步骤2)。

3).石英管回填至常压后开始加热过程。首先，以10℃/min的加热速度将石英管加热到1050℃，保持此过程中氩气和氢气的流量分别为200sccm、50sccm.

4).温度达到1050℃后开始退火过程，保持30min完成退火过程，以去除镀铜钢纤维表面的氧化物,退火过程中氩气和氢气的流量分别为200sccm、50sccm。

5).退火过程结束后开始生长过程。生长过程中温度保持1050℃不变，生长时间为20min,生长过程中氩气、氢气、甲烷的气体流量分别为300sccm、100sccm、10sccm。

6).生长过程结束后，加热结束，石英管以20℃/min的速率降温至室温，降温过程中的氩气和氢气的流量分别为200sccm、50sccm。降温结束后从石英管中取出镀铜钢纤维完成其表面石墨烯的制备。

Claims (4)

1.一种在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：将镀铜钢纤维用清洗后悬空放入石英管中并在管式炉中进行一段时间的退火，之后在管式炉中通入载气和碳源气体通过常压化学气相沉积法在镀铜钢纤维表面生长石墨烯。

2.如权利要求1所述的在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述镀铜钢纤维的的长度为1-13mm、直径为0.1-0.5mm。

3.如权利要求1所述的在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述的载气为氩气和氢气，碳源气体为甲烷。

4.如权利要求1所述的在镀铜钢纤维表面可控生长石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述的常压化学气相沉积法包括以下四个过程：

1)升温过程：升温阶段的开始温度为室温,升温速率为10℃/min,结束温度为900-1050℃，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm；

2)退火阶段的温度为900-1050℃，时间为20-30min,氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。

3)生长阶段的温度为900-1050℃，时间为10-20min,氩气、氢气、甲烷的流量分别为200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。

4)降温过程的降温速率为20℃/min，氩气和氢气的流量分别为100-200sccm和20-50sccm。