一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法技術

本發明專利技術提供一種利用化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法。主要包括以下工藝步驟：1).清洗鍍銅鋼纖維；2).將鍍銅鋼纖維進行高溫退火處理；3).調控化學氣相沉積工藝參數和鍍銅鋼纖維位置；4).在鍍銅鋼纖維表面進行石墨烯生長，獲得包覆均勻、厚度可控的石墨烯膜。該工藝流程簡單易操作，鍍銅鋼纖維表面的石墨烯化學性質穩定，可以有效提高鍍銅鋼纖維在水泥基復合材料中的強度和耐腐蝕性，并可以作為水泥水化反應的形核點從而有利地促進水泥水化反應，使水泥形成致密的結構最終有效防止裂紋的產生提高水泥基復合材料的強度。在水泥基復合材料領域具有廣闊的應用前景。

Method for controllable growth of graphene coating on surface of copper plated steel fiber

The invention provides a method for controlling the growth of graphene coating on the surface of copper plated steel fiber by chemical vapor deposition. Mainly includes the following steps: 1). Cleaning the copper plated steel fiber; 2). The copper plating of steel fiber high temperature annealing treatment; 3). The process parameters and the copper steel fiber position regulating chemical vapor deposition; 4). Graphene grown on copper surface of steel fiber, obtained the graphene film with homogeneous thickness controllable the. The process is simple and easy to operate, copper graphite steel fiber surface chemical properties of graphene can effectively improve the stability and strength of copper steel fiber in cement based composite materials and corrosion resistance, and can be used as cement hydration reaction, the nucleation point to promote cement hydration reaction, the formation of dense structure of cement finally effectively prevent cracks increase the strength of cement-based composite materials. It has a broad application prospect in the field of cement-based composite materials.

【技術實現步驟摘要】
一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法
本專利技術涉及在在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，屬于材料化學制備

技術介紹
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化形成的具有蜂窩狀晶體結構二維納米材料，獨特的晶格結構使其具有優異的力學、電學、光學和熱學性能。石墨烯在場效應晶體管、高頻電子器件、透明導電薄膜、復合材料、儲能材料、電化學傳感器等方面具有廣闊的應用前景。目前制備石墨烯的方法主要有微機械剝離法、SiC外延生長法、氧化還原法以及化學氣相沉積法。化學氣相沉積法主要是在高溫條件下利用銅箔催化碳源裂解并在銅箔表面反應生成石墨烯薄膜。與氧化還原法制備得到的石墨烯相比較，化學氣相沉積法石墨烯缺陷較少具有更完美的晶格結構，所以化學氣相沉積法石墨烯具有更高的質量和優異的導電性。由于石墨烯超常的物理和化學性質，其在復合材料領域的應用研究越來越多，特別在建筑材料領域也得到越來越廣的應用。研究表明與納米材料(碳納米管、石墨烯)結合會改變水泥的微觀性能。在水泥漿中引入納米材料可以減少孔隙率和水化速度導致產生更強和更耐久的產物。高的比表面積使納米材料可以有效的控制水泥基復合材料的微裂紋的擴展。一般水泥基材料屬于脆性材料，它的抗拉、抗折強度低，脆性大，易開裂。因此，在水泥基材料中摻入鍍銅鋼纖維可以強化韌化水泥，從而提高水泥基材料的抗裂紋擴展能力和耐久性。但同時鍍銅鋼纖維與水泥基材料結合時又存在界面結合易于腐蝕等問題，所以利用化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長的石墨烯包覆膜可以有效改善這些問題。本專利技術以鍍銅鋼纖維為基底，通過化學氣相沉積法在其表面生長石墨烯包覆膜，可以有效提高鍍銅鋼纖維在水泥基復合材料中的強度和耐腐蝕性，并可以作為水泥水化反應的形核點從而有利地促進水泥水化反應，使水泥形成致密的結構最終有效防止裂紋的產生提高水泥基復合材料的強度。在水泥基復合材料領域具有廣闊的應用前景。
技術實現思路
專利技術目的：本專利技術的目的是提供一種可以有效解決鋼纖維與水泥基復合材料界面結合問題并改善材料脆性和耐腐蝕性的方法。該方法利用化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯包覆膜可以改善水泥基材料的微裂紋的擴展從而能夠提高水泥基復合材料的韌性。技術方案：為實現上述的目的，本專利技術的一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法采用的技術方案為：將鍍銅鋼纖維用水清洗后懸空放入石英管中并在管式爐中進行一段時間的退火，之后在管式爐中通入載氣和碳源氣體通過常壓化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯；其中：所述鍍銅鋼纖維的的長度為1-13mm、直徑為0.1-0.5mm。所述的載氣為氬氣和氫氣，碳源氣體為甲烷。所述的常壓化學氣相沉積法包括以下四個過程：1)升溫過程：升溫階段的開始溫度為室溫,升溫速率為10℃/min,結束溫度為900-1050℃，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm；2)退火階段的溫度為900-1050℃，時間為20-30min,氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。3)生長階段的溫度為900-1050℃，時間為10-20min,氬氣、氫氣、甲烷的流量分別為200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。4)降溫過程的降溫速率為20℃/min，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。與其他制備石墨烯的方法相比，化學氣相沉積法制備的石墨烯結晶性好、質量高具有較少的結構缺陷從而可以有效減少水泥基體材料對鍍銅鋼纖維的腐蝕作用，提高了石墨烯包覆的鍍銅鋼纖維的耐久性。同時，由于化學氣相沉積的石墨烯包覆膜與鍍銅鋼纖維表面的銅箔之間的結合力較高，可以有效避免水泥基材料與未沉積石墨烯包覆層的鍍銅鋼纖維之間存在的界面結合弱問題。有益效果：通過石墨烯與鋼纖維的協同作用可以有效提高鍍銅鋼纖維在水泥基復合材料中的強度和耐腐蝕性，并可以作為水泥水化反應的形核點從而有利地促進水泥水化反應，使水泥形成致密的結構最終有效防止裂紋的產生提高水泥基復合材料的強度。在水泥基復合材料領域具有廣闊的應用前景。與傳統的鍍銅鋼纖維增強水泥基石墨烯復合材料相比，本專利技術制備的高質量石墨烯包覆層具有穩定的物理化學性質從而可以進一步提高鍍銅鋼纖維在水泥材料中的耐蝕性，同時石墨烯包覆層作為增強纖維與水泥基體的界面過渡材料提高了界面穩定性與界面結合力，從而能抑制水泥材料中微裂紋的產生與拓展。因此，水泥基材料的強度和韌性都得到了提高。具體實施方式A.鍍銅鋼纖維的清洗：將鍍銅鋼纖維先用丙酮超聲清洗5-15min,然后用乙醇超聲清洗5-15min,再用去離子水超聲清洗10-20min，最后用氮氣將清洗完成的鍍銅鋼纖維吹干備用；B.鍍銅鋼纖維表面石墨烯的制備：將吹干備用的鍍銅鋼纖維懸空放入石英管中，打開真空泵使真空降至5-15Pa再用氬氣回填至常壓。設定好加熱程序后開始加熱。加熱過程分為以下四個連續階段:1)升溫階段的開始溫度為室溫,升溫速率為10℃/min,結束溫度為900-1050℃，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。2)退火階段的溫度為900-1050℃，時間為20-30min,氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。3)生長階段的溫度為900-1050℃，時間為10-20min,氬氣、氫氣、甲烷的流量分別為200-300sccm、40-100sccm、4-10sccm。4)降溫過程的降溫速率為20℃/min，氬氣和氫氣的流量分別為100-200sccm和20-50sccm。降溫過程結束后取出制備完成的鍍銅鋼纖維，完成整個制備過程。實施方案1：1)將鍍銅鋼纖維放入盛有5-20ml的丙酮燒杯中超聲清洗5-15min,之后將鍍銅鋼纖維從丙酮中撈起放入乙醇中超聲清洗5-15min，將鍍銅鋼纖維撈起放入去離子水中超聲清洗10-20min，最后用氮氣吹干備用。2)將吹干的鍍銅鋼纖維放入石英舟中,之后將鍍銅鋼纖維和石英舟裝載進氣相沉積系統的石英管中，之后用法蘭密封石英管，之后打開真空泵將石英管中的真空抽到5-15Pa，最后使用氬氣將石英管回填至常壓。3)石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到900℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm.4)溫度達到900℃后開始退火過程，保持20min完成退火過程，以去除鍍銅鋼纖維表面的氧化物,退火過程中氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm。5)退火過程結束后開始生長過程，生長過程中溫度保持900℃不變，生長時間為10min,生長過程中氬氣、氫氣、甲烷的氣體流量分別為200sccm、40sccm、4sccm。6)生長過程結束后，石英管以20℃/min的速率降溫至室溫，降溫過程中的氬氣和氫氣的流量分別為100sccm、20sccm。降溫結束后從石英管中取出鍍銅鋼纖維完成其表面石墨烯的制備。實施方案2：1).同于實施方案1的步驟1)。2).同于實施方案1的步驟2)。3).石英管回填至常壓后開始加熱過程。首先，以10℃/min的加熱速度將石英管加熱到1000℃，保持此過程中氬氣和氫氣的流量分別為150sccm、30sccm.4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：將鍍銅鋼纖維用清洗后懸空放入石英管中并在管式爐中進行一段時間的退火，之后在管式爐中通入載氣和碳源氣體通過常壓化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯。

【技術特征摘要】
1.一種在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：將鍍銅鋼纖維用清洗后懸空放入石英管中并在管式爐中進行一段時間的退火，之后在管式爐中通入載氣和碳源氣體通過常壓化學氣相沉積法在鍍銅鋼纖維表面生長石墨烯。2.如權利要求1所述的在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述鍍銅鋼纖維的的長度為1-13mm、直徑為0.1-0.5mm。3.如權利要求1所述的在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述的載氣為氬氣和氫氣，碳源氣體為甲烷。4.如權利要求1所述的在鍍銅鋼纖維表面可控生長石墨烯包覆膜的方法，其特征在于：所述的常壓化學氣相沉積...

【專利技術屬性】
技術研發人員：郭新立，葛創，陳衡，祝龍，陳忠濤，趙麗，劉園園，孫偉，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32