[發明專利]單體石墨烯層或石墨烯單晶

有效

• 申請號: 201810254964.7
• 申請日: 2013-11-22
• 公開（公告）號: CN109095456B
• 公開（公告）日: 2022-05-31
• 發明（設計）人: 王明超;W·熊;A·薩姆;B·Z·扎昂
• 申請（專利權）人: 納米技術儀器公司
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C30B29/02;C30B29/68
• 代理公司: 中國貿促會專利商標事務所有限公司 11038
• 代理人: 王海寧

包含石墨烯單晶的單體石墨烯物體，所述石墨烯單晶含有密堆且化學結合的平行石墨烯平面，所述石墨烯平面具有0.335至0.40nm的石墨烯平面間的間距和0.01至10重量％的氧含量，該單體石墨烯層或石墨烯單晶是通過在高于100℃的溫度下熱處理氧化石墨烯凝膠制得，其中在兩個石墨烯平面之間的平均錯取向角小于10度，更典型地小于5度。在干燥和熱處理時，氧化石墨烯凝膠中的分子化學互聯和整合成不含離散石墨鱗片或石墨烯片晶的單體石墨烯物體。該石墨烯單塊展現出優異的熱導率、電導率、機械強度、表面光潔度、表面硬度和劃傷的組合。

本申請是申請日為2013年11月22日、申請號為201380061479.3 并且發明名稱為“單體石墨烯層或石墨烯單晶”的中國發明專利申請的分案申請。

發明領域

本發明總體上涉及石墨材料用于散熱應用的領域,并且特別涉及氧化石墨烯衍生的石墨烯單塊(monolith)或者石墨烯單晶，其展現出如下性能的組合：格外高的熱導率、高的電導率、高的機械強度、良好的表面抗劃傷性和良好的硬度。

發明背景

已知碳具有五種獨特的晶體結構,包括金剛石、富勒烯(0-D納米石墨材料)、碳納米管(1-D納米石墨材料)、石墨烯(2-D納米石墨材料) 和石墨(3-D石墨材料)。

碳納米管(CNT)是指以單壁或多壁生長的管狀結構。碳納米管具有幾納米到幾百納米量級的直徑。其縱向、空心結構賦予材料獨特的機械、電學和化學性質。CNT是1-D(一維)納米碳或1-D納米石墨材料。

塊體天然鱗片石墨是3-D石墨材料，每個顆粒由多個晶粒(或石墨單晶或微晶)構成，其具有界定鄰近石墨單晶的晶界(無定形或缺陷區)。每個晶粒由互相平行取向的多個石墨烯平面構成。石墨微晶中的石墨烯平面是由占據二維六方晶格的碳原子構成。在給定的晶粒或單晶中, 石墨烯平面在晶體學c-方向(垂直于石墨烯平面或基面)堆疊或通過范德華力結合。雖然一個晶粒中的所有石墨烯平面是互相平行的,典型地一個晶粒中的石墨烯平面和相鄰晶粒中的石墨烯平面在取向上是不同的。換而言之,石墨顆粒中的不同晶粒的取向典型地從一個晶粒到另一個晶粒不同。

石墨單晶(微晶)是各向異性的，沿基面中的方向(晶體學a或b 方向)測量的性質顯著不同于如果沿晶體學c-方向測量(厚度方向)的性質。例如,石墨單晶的熱導率在基面中(晶體學a-和b-軸方向)可以高達約1920W/mK(理論值)或1800W/mK(實驗值),但沿晶體學c-軸方向小于10W/mK(典型地小于5W/mK)。因此,由不同取向的多個晶粒構成的天然石墨顆粒具有介于這兩個極限之間的性質。在許多應用中非常期望的是生產塊體石墨顆粒(含有單個或多個晶粒)，其具有足夠大的尺寸并且所有石墨烯平面沿一個期望方向基本上互相平行。例如, 非常期望具有一種塊體石墨顆粒(例如多個石墨烯平面的單體層物體)，所有的石墨烯平面大體上互相平行)并且該單體層物體對特定應用具有足夠大的長度/寬度(例如5cm²，對于用作智能手機的CPU上的散熱片而言)。

可以從石墨微晶提取或分離石墨微晶的成分石墨烯平面以形成碳原子的單獨石墨烯片。通常將分離的、單獨的石墨烯片稱為單層石墨烯。通常將在厚度方向通過范德華力結合的多個石墨烯平面的堆疊體稱為多層石墨烯,典型地具有至多300層或石墨烯平面(在厚度上 100nm),但更典型地至多30個石墨烯平面(在厚度上10nm),再更典型地至多20個石墨烯平面(在厚度上7nm)，并且最典型地至多10個石墨烯平面(在科學界通常被稱為少層石墨烯)。將單層石墨烯和多層石墨烯片統稱為“納米石墨烯片晶”(NGP)。石墨烯或NGP是新類型的碳納米材料(2-D納米碳),其不同于0-D富勒烯、1-D CNT和3-D石墨。