[發明專利]多層多孔高導電性能的石墨烯薄膜及其制造方法

在審

• 申請號: 202011390423.0
• 申請日: 2020-12-02
• 公開（公告）號: CN112622357A
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 李鈞甫;虞文軍;文友誼
• 申請（專利權）人: 成都飛機工業（集團）有限責任公司
• 主分類號: B32B9/00
• 分類號: B32B9/00;B32B9/04;B32B3/24;B32B37/06;B32B38/10;B32B38/04;H01B5/00;H01B13/00
• 代理公司: 成都君合集專利代理事務所(普通合伙) 51228
• 代理人: 尹新路

一種多層多孔高導電性能的石墨烯薄膜，石墨烯薄膜每層的孔隙直徑為1微米～5毫米，當孔隙直徑為d米時，孔面密度控制為小于最大孔面密度σ_max個每平方米，最大孔面密度σ_max滿足：σ_max＝(0.025～0.103)×d^?2，石墨烯薄膜的鋪疊層數為3～10⁵層。并提出一種多層多孔高導電性能的石墨烯薄膜的制造方法，使用銅箔表面CVD法或等離子體增強CVD法，分段或連續制備單層或多層多晶石墨烯薄膜；分段或連續去除銅箔基材；清洗去除銅箔基材和去除雜質金屬雜質粒子；對石墨烯薄膜進行制孔；對制孔完畢的石墨烯薄膜進行多層鋪疊；對多層鋪疊完畢的石墨烯薄膜進行熱處理；對石墨烯薄膜進行修邊整形；對石墨烯薄膜進行治卷。

技術領域

本發明涉及石墨烯薄膜領域，特別涉及一種多層多孔高導電性能的石墨烯薄膜及其制造方法。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道構成的單原子層、六圓環蜂窩晶格結構。這種特殊的二維結構賦予了石墨烯優異的強度、韌度、透光性、電導率和導熱率。尤其是電學性能，石墨烯在費米面附近的線性類狄拉克函數電子態密度分布使石墨烯成為一種零帶隙半導體材料或準金屬導體。室溫下石墨烯的載流子遷移率可達15000cm²/V·s，是硅材料的10倍，也是已知載流子遷移率最高的物質銻化銦(InSb)的2倍以上。石墨烯在室溫下單原子層內的電導率(σ)可達到1×10⁶S/cm(電阻率：ρ≈1×10^-6Ω·cm)，是金屬良導體如：金、銅、銀等電導率的1至2倍以上。加之石墨烯的優異透光性能和超強韌的力學特性，使石墨烯在柔韌性電連接、透明電極、可彎折觸控屏薄膜、可穿戴微電子設備中有巨大的應用前景。

目前，市面上石墨烯原材料產品的主要供應形式有：粉體、溶液、漿料、涂料、化學氣相沉積(CVD)薄膜、轉移薄膜、涂覆或壓塑成型薄膜、石墨烯纖維、石墨烯氣凝膠、宏觀實體等等，這些產品形式的源頭都是由石墨烯粉體或薄膜兩種加工制造而成。

石墨烯薄膜可分為：化學氣相沉積(CVD)轉移膜和石墨烯粉體成型薄膜兩種。其中，化學氣相沉積(CVD)轉移膜是采用化學氣相沉積(CVD)法在銅、鎳等金屬表面制備的單層或多層的多晶或單晶石墨烯膜。單層石墨烯的理論厚度約為0.335nm(3.35×10^-10m)。這種單層原子多晶石墨烯薄膜可從金屬基底上轉移到其他目標材料表面。涂覆或壓塑成型的石墨烯薄膜是由石墨烯粉體或者膨脹石墨烯等衍生物制成，薄膜厚度可以根據實際使用和性能需求進行調控。石墨烯在這種薄膜中的存在形式是片層狀隨機、混亂或無序堆疊而成。石墨烯微片相互之間通過點、線或者面等多種形式搭接相連。

雖然石墨烯具有極其優異的導電性能，但這種本征特性只有在單晶單層，且缺陷極少的石墨烯晶片上才能表現出來。然而目前高質量、大尺寸的單晶單層石墨烯晶片或者薄膜一直是各國研究機構和公司攻關的技術難點。

目前最大尺寸的單晶單層石墨烯晶片直徑也僅僅可達毫米(mm)量級。另一方面，將單層的石墨烯轉移到合適的基底材料上存在許多技術難點，比如：轉移薄膜的完整性。目前將銅、鎳等金屬基底通過化學溶蝕的辦法去除并轉移到聚乙烯薄膜、SiO₂/Si基片等是相對比較成熟的方法，但轉移膜的尺寸仍然受到銅膜尺寸、轉移工藝的限制，因此較難制造出大尺寸、優質的石墨烯薄膜。再者，這種單層轉移膜非常薄弱，只有在試驗室精細環境中和條件下做研究性使用價值，實際工程化、大規模運用非常困難。

采用石墨烯粉體為原材料通過涂覆或壓塑成型薄膜的困難在于，這種工藝制造出來的薄膜導電性能相對于單晶、單層薄膜和化學氣相沉積(CVD)法制備的薄膜，導電性能大幅下降。在實際使用中，尤其是想利用石墨烯的超高導電性能的場合，已石墨烯粉體為原料制成的薄膜更是難以達到設計使用要求或技術指標。因此，目前亟需開發一種既能保持石墨烯優異的導電性能，又方便實際工程化應用的石墨烯薄膜材料。

發明內容