本發(fā)明屬于表面工程，尤其涉及石墨烯電加熱，具體涉及一種具備電熱性能的石墨烯制件及制備方法。

背景技術(shù)：

1、石墨烯是一種單原子層二維碳納米材料，碳原子基于sp2雜化連接，是現(xiàn)有最薄且剛度最強(qiáng)的材料，同時(shí)具有巨大的比表面積和優(yōu)異的熱性能，導(dǎo)熱系數(shù)介于4840～5300w/(m·k)，是目前導(dǎo)熱系數(shù)最高的碳材料。

2、但是，石墨烯在廣泛應(yīng)用上還面臨著許多無(wú)法回避的關(guān)鍵問(wèn)題，例如常見(jiàn)石墨烯制備大多以氧化石墨烯為原材料，后續(xù)想得到導(dǎo)電、導(dǎo)熱性更加良好的石墨烯需要采取極其復(fù)雜的工藝對(duì)其還原才能使碳原子結(jié)構(gòu)得到恢復(fù)。此外，在絕緣基底上涂覆石墨烯的方式得到的石墨烯薄膜與基底粘結(jié)力偏弱，壽命較短。石墨烯很難找到理想襯底，石墨烯和硅或金屬界面之間的熱導(dǎo)率常被限制，因此，難以制備電熱性能良好的石墨烯制件。

3、基于以上內(nèi)容，本發(fā)明提出一種具備電熱性能的石墨烯制件及制備方法以解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具備電熱性能的石墨烯制件及制備方法，采用在金剛石表面原位生成電熱石墨烯的方法，相比傳統(tǒng)石墨烯制備方法省略了還原等復(fù)雜工藝步驟，并且得到的制件壽命遠(yuǎn)超于普通石墨烯薄膜電熱元件。

2、為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、(一)本發(fā)明提供一種具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，包括以下步驟：對(duì)金剛石基體的表面進(jìn)行激光輻照處理，在金剛石基體表面形成高取向性石墨層；對(duì)所述高取向性石墨層的外層進(jìn)行機(jī)械解理處理，得到由多個(gè)石墨烯片形成的石墨烯層，且石墨烯層中石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為30～40°；對(duì)所述石墨烯層進(jìn)行電化學(xué)剝離，電化學(xué)剝離采用的電解液的ph為8～10，使石墨烯層中的石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為80～90°，形成微納尺度近豎直的石墨烯層，即得到具備電熱性能的石墨烯制件。

4、進(jìn)一步的，所述激光輻照處理采用的設(shè)備為脈沖激光器；所述激光輻照操作在空氣氛圍中進(jìn)行，脈沖頻率為30khz，光斑直徑為20μm，激光功率8～10w，掃描間距為1μm；基于激光輻照處理過(guò)程中金剛石基底散熱考慮，所述脈沖激光器的激光入射方向與金剛石基底待加工表面之間角度為80～85°。本發(fā)明借助激光的精準(zhǔn)性，可以保證電熱石墨烯生成區(qū)域的精確性，可以定形狀、定位地生成電熱石墨烯。本發(fā)明優(yōu)選在上述條件下進(jìn)行激光輻照處理，能夠得到合適厚度的層狀石墨層。

5、進(jìn)一步的，所述機(jī)械解理采用的設(shè)備包括飛輪，材質(zhì)為不銹鋼，飛輪的外直徑為120mm，厚度為8mm；所述機(jī)械解理的過(guò)程中，飛輪進(jìn)給控制精度為1μm，飛輪轉(zhuǎn)速為2000r/min。

6、進(jìn)一步的，所述電化學(xué)剝離操作中，電解液為(nh4)2so4和naoh的混合溶液，電解液的ph為9。

7、進(jìn)一步的，所述電化學(xué)剝離操作在經(jīng)典的雙部分浸沒(méi)電極系統(tǒng)中展開(kāi)，具體為：以與金剛石基體表面間角度為30～40°的石墨烯制件作為工作陽(yáng)極，以鉑片作為工作陰極進(jìn)行電化學(xué)剝離，剝離時(shí)施加電壓為10v，剝離時(shí)間為30min。

8、進(jìn)一步的，所述鉑片尺寸為10×15×0.1mm3，純度>99.9％；陰陽(yáng)兩極平行放置，間距為3cm。

9、進(jìn)一步的，所述金剛石基體為金剛石涂層制件或者金剛石厚膜制件，其中，金剛石涂層制件通過(guò)cvd沉積法在基體上沉積金剛石涂層而制備得到。

10、進(jìn)一步的，所述激光輻照處理后，所形成的高取向性石墨層厚度為100～300nm；所述電化學(xué)剝離后得到的具備高效電熱性能的微納尺度近豎直的石墨烯層厚度為700～900nm。

11、(二)本發(fā)明還提供一種具備電熱性能的石墨烯制件，采用以上所述方法制備得到，所述石墨烯制件包括由碳碳共價(jià)鍵連接的金剛石基體、高取向性石墨層和具備高效電熱性能的石墨烯層，所述石墨烯層的石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為80～90°。

12、進(jìn)一步的，所述石墨烯制件中，具備高效電熱性能的石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50～70％，高取向性石墨層質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～30％，非晶碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10％。

13、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：

14、(1)本發(fā)明通過(guò)對(duì)金剛石基體的表面進(jìn)行激光輻照處理以在其表面形成高取向性石墨層，并對(duì)石墨層進(jìn)行機(jī)械解理得到石墨烯層，且石墨烯層中石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為30～40°，最后通過(guò)電化學(xué)剝離使石墨烯層中的石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為由30～40°變?yōu)?0～90°，近豎直的石墨烯片彼此搭接能夠形成良好的導(dǎo)電網(wǎng)格，因此獲得更優(yōu)異的電熱性能；

15、(2)相對(duì)于傳統(tǒng)靠沉積法制備的具備電熱性能的石墨烯，本發(fā)明提供的方法可以直接在金剛石表面原位生成電熱石墨烯，不僅省略了還原等復(fù)雜工藝步驟，壽命遠(yuǎn)超于普通石墨烯薄膜電熱元件，電熱性能較普通石墨烯電熱元件優(yōu)異；

16、(3)本發(fā)明借助激光的精準(zhǔn)性，可以保證電熱石墨烯生成區(qū)域的精確性，可以定形狀、定位地生成電熱石墨烯，靈活度高，操作難度低，適用性強(qiáng)。

技術(shù)特征：

1.一種具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

4.權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

5.權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

6.權(quán)利要求5所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，所述金剛石基體為金剛石涂層制件或者金剛石厚膜制件。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具備電熱性能的石墨烯制件的制備方法，其特征在于，

9.一種具備電熱性能的石墨烯制件，采用權(quán)利要求1～8任一項(xiàng)所述方法制備得到，其特征在于，

10.權(quán)利要求9所述的具備電熱性能的石墨烯制件，其特征在于，

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種具備電熱性能的石墨烯制件及制備方法，方法包括：對(duì)金剛石基體表面進(jìn)行激光輻照處理，在金剛石基體表面形成高取向性石墨層；對(duì)高取向性石墨層的外層進(jìn)行機(jī)械解理處理，得到由多個(gè)石墨烯片形成的石墨烯層，且石墨烯層中石墨烯片與金剛石基體表面之間的角度為30～40°；對(duì)石墨烯層進(jìn)行電化學(xué)剝離，電化學(xué)剝離采用的電解液的pH為9，使石墨烯層中的石墨烯片與金剛石基體表面間角度為80～90°，形成微納尺度近豎直的石墨烯層，即得到具備電熱性能的石墨烯制件。本發(fā)明還提供上述方法制成的制件。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明可以直接在金剛石表面原位生成電熱石墨烯，不僅省略了還原等復(fù)雜工藝步驟，壽命遠(yuǎn)超于普通石墨烯薄膜電熱元件，電熱性優(yōu)異。

技術(shù)研發(fā)人員：陳妮,孫姝晨,何寧,閆博,毛之元,付詩(shī)揚(yáng),李亮
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15