一種碳基雙層薄膜及其在過載保護上的應用制造技術

本發(fā)明專利技術公開了一種碳基雙層薄膜及其在過載保護上的應用，其膜以氧化石墨烯納米片為原料，將其分散在去離子水中形成懸濁液，在濾紙上分別抽濾出2張氧化石墨烯薄膜，一張保持濕潤，另一張烘干并用氫碘酸溶液將其上的氧化石墨烯薄膜還原成還原石墨烯薄膜，再施加壓力將濕潤的氧化石墨烯薄膜和干燥的還原石墨烯薄膜自然粘結在一起，烘干形成還原石墨烯/氧化石墨烯雙層膜。將雙層膜裁剪成長條狀，在該長條狀薄膜上通以電流，當該雙層膜中通過的電流大于額定電流時，會使得雙層膜固定向著氧化石墨烯一側彎曲。本發(fā)明專利技術的優(yōu)點：薄膜制作工藝簡單，成本低；薄膜隨著電流大小的變化有彎曲和伸直兩種狀態(tài)，能夠制成自動開關，用于過載保護，薄膜可重復使用。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種碳基雙層薄膜的制備方法及其膜在過載保護上的應用
本專利技術涉及一種由氧化石墨烯、還原石墨烯這兩種新型碳基材料組成的復合雙層薄膜，具體是運用真空抽慮成膜以及化學還原的技術制作還原石墨烯/氧化石墨烯雙層復合薄膜，再將薄膜進一步加工成開關裝置，并將該開關裝置運用于過載保護。屬于新型材料電子器件領域。
技術介紹
1）碳是自然界存在非常廣泛的材料。石墨烯是典型的碳基二維材料，因其具有優(yōu)異的電子、光學和機械特性以及環(huán)境友好等性質被廣泛關注和研究。近些年來石墨烯這種新型材料的實際運用也被不斷開發(fā)出來。但是由于石墨烯昂貴的價格，而且由于巨大的表面能以致于難于均勻分散在水、乙醇等溶劑中，因此限制了它在宏觀尺度上的大規(guī)模運用。當下可以大規(guī)模制備石墨烯的方法是化學氧化還原法，此法制備的的石墨烯稱為還原石墨烯，氧化石墨烯是制備還原石墨烯時的衍生品，同樣具有許多優(yōu)異的性質。氧化石墨烯由天然的石墨粉通過改進的Hummers法制得，還原石墨烯進一步由氧化石墨烯通過化學法還原制得，相比于機械剝離和化學氣相沉積法制備的石墨烯，化學氧化還原法制備還原石墨烯的成本低并且制備量大，這為其實際運用奠定了基礎。2）氧化石墨烯、還原石墨烯的熱膨脹系數(shù)具有較大差異。由這兩種材料組成的雙層結構由于的這種性質差異，在一定溫度下一個膨脹得多點，一個膨脹得少一點，這樣就會導致這種雙層結構固定向著一側制動，呈現(xiàn)彎曲和伸直兩種狀態(tài)。但是如何將這兩種材料以簡單的工藝合理地結合形成可靠的雙層結構一直是一個挑戰(zhàn)，結合成雙層結構后的實際運用價值也一直是研究者們關注的熱點。3）電流過載的問題是電子電力領域的常見問題，常常導致電子器件及電路的損壞或者燒毀，甚至引發(fā)電擊、火災等嚴重災害。現(xiàn)有的保護措施常采用熔斷器或空氣開關來實現(xiàn)過載保護：熔斷器為一次性器件，熔斷后便不能再使用；空氣開關為可重復利用器件，但其構造比較復雜。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術的目的是提供一種碳基雙層薄膜的制備方法及其膜在過載保護上的應用，運用兩種新型碳基材料，采用真空抽濾成膜以及化學還原簡單方法得到還原石墨烯/氧化石墨烯雙層薄膜，利用該薄膜制成受電路中電流大小控制的開關，應用于過載保護。此種薄膜的制作工藝成本低、薄膜結構簡單；應用于過載保護的此種薄膜開關結構簡單、環(huán)保并且可以重復使用。本專利技術的目的是這樣實現(xiàn)的：一種碳基雙層薄膜的制備方法，特點是該方法包括以下步驟：1）以氧化石墨烯納米片為原材料，將其超聲分散在去離子水中形成氧化石墨烯懸濁液；其中，超聲功率200-500瓦，超聲時間30分鐘-2小時，懸濁液濃度不高于2mg/ml；2）采用真空抽濾成膜的方式，對氧化石墨烯懸濁液進行抽濾，在定性濾紙上分別抽濾出兩張氧化石墨烯薄膜，薄膜的厚度為50-500μm，其中一張保持濕潤，另一張烘干并用氫碘酸溶液將其上的氧化石墨烯薄膜還原成還原石墨烯薄膜，然后將還原石墨烯薄膜清洗干凈并再次烘干；其中，還原用的氫碘酸溶液濃度約為55.0-58.0%；3）在不損壞薄膜的情況下，通過施加外部壓力，將濕潤的氧化石墨烯薄膜和干燥的還原石墨烯薄膜自然壓緊粘結在一起，并自然干燥形成還原石墨烯/氧化石墨烯雙層膜即所述碳基雙層薄膜；最后將該薄膜裁剪成長條狀，其尺寸根據(jù)需要而定。一種上述碳基雙層薄膜的應用，特點是該雙層薄膜在有電流通過時，隨著電流大小的變化呈現(xiàn)出伸直和彎曲兩種狀態(tài)；當電流小于額定電流時，雙層薄膜處于自然伸直狀態(tài)；當電流大于或等于額定電流時，雙層薄膜處于彎曲狀態(tài)，而且是向著氧化石墨烯一側彎曲；當電流恢復到額定值以下時雙層膜又恢復伸直狀態(tài)，這對應于開關的通和斷，制成受電流控制的自動開關，應用于電流的過載保護。本專利技術的優(yōu)點及效果：這種還原石墨烯/氧化石墨烯雙層薄膜制作工藝及設備簡單，成本低；這種還原石墨烯/氧化石墨烯隨著電流大小的變化有彎曲和伸直兩種狀態(tài)，可以制成自動開關，用于過載保護，類似用于過載保護的熔斷絲的通斷兩種狀態(tài)，但是熔斷絲是一次性器件，而這種薄膜開關有望可以重復使用，并且開關結構簡單，碳材料自然界含量豐富，環(huán)境友好。附圖說明圖1為本專利技術所述的還原石墨烯/氧化石墨烯雙層復合薄膜制作工藝流程圖；圖2為本專利技術所述還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜開關工作原理示意圖，其中，（1）表示還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜處于伸直狀態(tài)，開關閉合，（2）表示還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜處于彎曲狀態(tài)，為開關斷開；圖3為本專利技術所述還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜開關三維結構簡圖。其中，氧化石墨烯懸濁液1、氧化石墨烯薄膜2、濾紙3、氫碘酸溶液4、還原石墨烯薄膜5，銅塊6，銅塊7。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本專利技術。應理解這些實施例僅用于說明本專利技術而不用于限制本專利技術的范圍，在閱讀了本專利技術之后，本領域技術人員對本專利技術的各種等價形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。實施例如圖1所示，是本專利技術所述還原石墨烯/氧化石墨烯雙層薄膜制作工藝流程圖，包括氧化石墨烯懸濁液1、氧化石墨烯薄膜2、濾紙3、氫碘酸溶液4、還原石墨烯薄膜5，如圖所示該工藝最終的成品是長條狀的還原石墨烯/氧化石墨烯雙層薄膜。對圖1中工藝步驟的具體描述如下：（1）使用的原料為改進Hummers法制備的氧化石墨烯納米片，并將氧化石墨烯納米片通過超聲剝離法以300瓦超聲功率超聲1小時分散在去離子水中，形成氧化石墨烯懸濁液，形成的氧化石墨烯濃度為1.8mg/ml。（2）使用真空抽濾的方法將氧化石墨烯懸濁液在定性濾紙上分別抽濾成兩張氧化石墨烯薄膜，這兩張薄膜都是粘附在濾紙上的，其中一張30℃-60℃烘干，另一張保持濕潤。將干燥的那張氧化石墨烯薄膜浸泡在濃度為55.0-58.0%的氫碘酸溶液中，使它被還原成還原石墨烯薄膜。之后將還原石墨烯薄膜取出并清洗掉殘余的氫碘酸溶液，然后30℃-60℃烘干。（3）在兩張薄膜的濾紙一側施加約50牛頓的壓力將干燥的還原石墨烯薄膜與濕潤的氧化石墨烯薄膜緊緊黏貼在一起，并在室溫下緩慢干燥。等黏合的薄膜徹底干燥后，剝去兩側的濾紙，從而得到圓形的還原石墨烯/氧化石墨烯雙層復合薄膜。最后將圓形的還原石墨烯/氧化石墨烯雙層復合薄膜剪去邊角料并裁剪成長2cm，寬0.5cm的小片長條狀薄膜。將還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜應用于過載保護描述如下：如圖2所示，圖2為本專利技術所述還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜用于過載保護的開關工作原理示意圖，包括氧化石墨烯薄膜2、還原石墨烯薄膜5、銅片6和銅片7。氧化石墨烯薄膜2和還原石墨烯薄膜5即按圖1工藝步驟所得的還原石墨烯/氧化石墨烯雙層長條狀復合薄膜。這張雙層復合薄膜的一端固定在銅片7上，用導電膠相黏；另一端與銅片6自然接觸。如圖2（1）所示，表示還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜處于伸直狀態(tài)，開關閉合。此時電路中電流較小，還原石墨烯/氧化石墨烯雙層結構中積累的熱量是不足以使得還原石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜發(fā)生膨脹收縮效應的，因此，雙層薄膜自然伸直，開關閉合，電路一直保持導通狀態(tài)；如圖2（2）所示，表示還原石墨烯/氧化石墨烯長條狀雙層薄膜處于彎曲狀態(tài)，開關斷開。此時電路中的電流達到或超過臨界值，這個臨界值與薄膜尺寸相關，長2cm、寬0.5cm、厚約400μm的雙層薄膜的電流臨界值本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種碳基雙層薄膜，其特征在于該薄膜通過以下步驟制得：?1）以氧化石墨烯納米片為原材料，將其超聲分散在去離子水中形成氧化石墨烯懸濁液；其中，超聲功率200?500瓦，超聲時間30分鐘?2小時，懸濁液濃度不高于2mg/ml；2）采用真空抽濾成膜的方式，對氧化石墨烯懸濁液進行抽濾，在定性濾紙上分別抽濾出兩張氧化石墨烯薄膜，膜的厚度為50?500μm，其中一張保持濕潤，另一張烘干并用氫碘酸溶液將其上的氧化石墨烯薄膜還原成還原石墨烯薄膜，然后將還原石墨烯薄膜清洗干凈并再次烘干；其中，還原用的氫碘酸溶液濃度約為55.0?58.0%；3）在不損壞薄膜的情況下，通過施加外部壓力，將濕潤的氧化石墨烯薄膜和干燥的還原石墨烯薄膜自然壓緊粘結在一起，并自然干燥形成還原石墨烯/氧化石墨烯雙層膜即所述碳基雙層薄膜；最后將該薄膜裁剪成長條狀。

【技術特征摘要】
1.一種碳基雙層薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下具體步驟：1）以氧化石墨烯納米片為原材料，將其超聲分散在去離子水中形成氧化石墨烯懸濁液；其中，超聲功率200-500瓦，超聲時間30分鐘-2小時，懸濁液濃度不高于2mg/ml；2）采用真空抽濾成膜的方式，對氧化石墨烯懸濁液進行抽濾，在定性濾紙上分別抽濾出兩張氧化石墨烯薄膜，薄膜的厚度為50-500μm，其中一張保持濕潤，另一張烘干并用氫碘酸溶液將其上的氧化石墨烯薄膜還原成還原石墨烯薄膜，然后將還原石墨烯薄膜清洗干凈并再次烘干；其中，還原用的氫碘酸溶液濃度為55.0-58.0%；3）在不損壞薄膜...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：劉善彪，吳幸，
申請(專利權)人：華東師范大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海;31