CN109012496A - 一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法。利用氯化碘作为插层剂得到二阶石墨插层化合物，高温处理得到双层石墨烯材料；将双层石墨烯粉末与纯铜粉混合均匀并压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，回收经过冲击的混合压制体，用硝酸除去铜，得到金刚石薄膜。本发明所述方法采用的双层石墨烯在受到冲击后，短时间内硬化成具有钻石般硬度的最薄的膜，可用于防护材料。以双层石墨烯为碳源可在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。

Description

一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法
技术领域
本发明涉及金刚石制备领域，尤其涉及一种以双层石墨烯为原料的冲击波法制备金刚石薄膜。
背景技术
金刚石是一种由单质碳元素组成的粒子物质，为目前世界上发现的硬度最高的物质，也是石墨烯、富勒烯、碳纳米管的同素异形体。金刚石可用来研磨宝石、玻璃、硬质合金等超硬材料，是工艺品和工业中的切割工具。
石墨烯是一种具有众多卓越特性的二维材料，它具有单层碳原子组成的蜂窝状结构，厚度仅是人类发丝直径的百万分之一，而强度却胜过钢铁百倍。石墨烯仍然保持着石墨层片中碳原子的六角形分布，结构上仍与金刚石的碳原子分布存在一定的对应性，也就存在直接相变的条件。
金刚石的合成方法有很多种，但通常都采用结晶良好的石墨为合成碳源，这是由于石墨的晶体结构与金刚石存在明显对应关系，石墨在高温、高压下，碳原子产生轻微的移动，即可直接转化为金刚石。但是在冲击合成过程中，必须在极高的冲击压力下才能获得较高的金刚石转化率。中国发明专利《***合成金刚石的膨胀石墨法》(CN93115929.6)中采用被看成一种特殊的“多孔”石墨材料的C轴层间距被拉大的膨胀石墨作为冲击合成金刚石的碳源，在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。通过控制膨胀石墨的初始密度来控制合成温度，与结晶石墨相比，可在较低压力下达到较高的合成温度。由于冲击加载时间极短，一般高压持续时间不超过十几微秒，采用结晶石墨进行冲击合成时，必须在极高的冲击压力下才能获得较高的金刚石转化率。为了进一步增加金刚石的产率，降低设备要求以及降低能耗，仍需要进一步降低冲击压力并提高转化率。
发明内容
提出了一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法，尤其涉及一种以双层石墨烯为原料的冲击波法制备金刚石薄膜，在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。双层石墨烯，已经不属于石墨的范畴，但可以视为达到C轴层间距被拉大到“极限”程度的膨胀石墨。采用双层石墨烯冲击合成人造金刚石，既满足直接相变条件，又可在较低压力下达到较高的合成温度，因此可提高金刚石的形核率。
本发明采用如下技术方案：
一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)利用氯化碘作为插层剂得到二阶石墨插层化合物，对二阶石墨插层化合物高温处理，氯化碘分解产生气体剥离石墨片层得到双层石墨烯材料；
(2)将双层石墨烯粉末与纯铜粉混合均匀，将混合物压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，回收经过冲击的混合压制体，用硝酸除去铜，得到金刚石薄膜。
步骤(1)中的二阶石墨插层化合物的石墨原料尺寸为10-150目。
步骤(1)中的高温处理温度为800-1200℃。
步骤(2)中的纯铜粉作为传压介质，双层石墨烯粉末与纯铜粉的质量比为0.1-1。
步骤(2)中的冲击加压压力为10～150GPa，持续时间小于10μs。
步骤(2)中的硝酸为浓度为20％的硝酸水溶液。
本发明具有如下优势：
(1)本发明所述方法中双层石墨烯在受到冲击后，短时间内硬化成钻石一样，成为具有钻石般硬度的最薄的膜，可应用于防护材料。
(2)以石墨以及膨胀石墨为碳源的冲击法形成的是金刚石颗粒，需要形核过程以及多层的位移匹配。本发明所述方法采用的双层石墨烯只需位置稍稍移动即可在冲击下形成金刚石薄膜，可在较低的冲击压力范围内达到较高的金刚石转化率。
附图说明
图1为本发明方法的工艺流程图。
图2为本发明方法实施例1制备双层石墨烯的透射电镜图。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅用于帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
(1)将60g氯化碘与1g膨胀石墨混合均匀，填充入保护气Ar气，密闭于玻璃瓶中，置于160℃油浴环境中，加热48h，制备出二阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤，放入石英舟中并加热到800℃，维持5min。反应完毕，取出样品，清洗样品得到双层石墨烯粉末聚集体。
(3)将1g双层石墨烯粉末与5g 200目纯铜粉混合均匀，压制成压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，冲击加压压力为20GPa，持续时间小于10μs。
(4)回收经过冲击的混合压制体，放入浓度为20％的硝酸水溶液除去铜，得到金刚石薄膜。
图1为本实施例的工艺流程图。
图2为本实施例制备双层石墨烯的透射电镜图。
实施例2
(1)将60g氯化碘与1g膨胀石墨混合均匀，填充入保护气Ar气，密闭于玻璃瓶中，置于160℃油浴环境中，加热48h，制备出二阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤，放入石英舟中并加热到800℃，维持5min。反应完毕，取出样品，清洗样品得到双层石墨烯粉末聚集体。
(3)将1g双层石墨烯粉末与2g 200目纯铜粉混合均匀，压制成压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，冲击加压压力为20GPa，持续时间小于10μs。
(4)回收经过冲击的混合压制体，放入浓度为20％的硝酸水溶液除去铜，得到金刚石薄膜。
实施例3
(1)将60g氯化碘与1g膨胀石墨混合均匀，填充入保护气Ar气，密闭于玻璃瓶中，置于160℃油浴环境中，加热48h，制备出二阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤，放入石英舟中并加热到800℃，维持5min。反应完毕，取出样品，清洗样品得到双层石墨烯粉末聚集体。
(3)将1g双层石墨烯粉末与5g 200目纯铜粉混合均匀，压制成压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，冲击加压压力为40GPa，持续时间小于10μs。
(4)回收经过冲击的混合压制体，放入浓度为20％的硝酸水溶液除去铜，得到金刚石薄膜。
实施例4
(1)将60g氯化碘与1g膨胀石墨混合均匀，填充入保护气Ar气，密闭于玻璃瓶中，置于160℃油浴环境中，加热48h，制备出二阶石墨插层化合物。
(2)将石墨插层化合物迅速从玻璃瓶中取出并过滤，放入石英舟中并加热到1000℃，维持5min。反应完毕，取出样品，清洗样品得到双层石墨烯粉末聚集体。
(3)将1g双层石墨烯粉末与5g 200目纯铜粉混合均匀，压制成压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，冲击加压压力为20GPa，持续时间小于10μs。
(4)回收经过冲击的混合压制体，放入浓度为20％的硝酸水溶液除去铜，得到金刚石薄膜。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (6)

1.一种冲击波法制备金刚石薄膜的方法，包括如下步骤：
(1)利用氯化碘作为插层剂得到二阶石墨插层化合物，对二阶石墨插层化合物高温处理，氯化碘分解产生气体剥离石墨片层得到双层石墨烯材料；
(2)将双层石墨烯粉末与纯铜粉混合均匀，将混合物压制成块体后放入冲击回收装置中进行冲击加压，回收经过冲击的混合压制体，用硝酸除去铜，得到金刚石薄膜。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的二阶石墨插层化合物的石墨原料尺寸为10-150目。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中的高温处理温度为800-1200℃。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中纯铜粉作为传压介质，双层石墨烯粉末与纯铜粉的质量比为0.1-1。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中冲击加压压力为10～150GPa，持续时间小于10μs。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中的稍酸为浓度为20％的硝酸水溶液。
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