[发明专利]单体石墨烯层或石墨烯单晶

说明书

包含石墨烯单晶的单体石墨烯物体，所述石墨烯单晶含有密堆且化学结合的平行石墨烯平面，所述石墨烯平面具有0.335至0.40nm的石墨烯平面间的间距和0.01至10重量％的氧含量，该单体石墨烯层或石墨烯单晶是通过在高于100℃的温度下热处理氧化石墨烯凝胶制得，其中在两个石墨烯平面之间的平均错取向角小于10度，更典型地小于5度。在干燥和热处理时，氧化石墨烯凝胶中的分子化学互联和整合成不含离散石墨鳞片或石墨烯片晶的单体石墨烯物体。该石墨烯单块展现出优异的热导率、电导率、机械强度、表面光洁度、表面硬度和划伤的组合。

本申请是申请日为2013年11月22日、申请号为201380061479.3 并且发明名称为“单体石墨烯层或石墨烯单晶”的中国发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明总体上涉及石墨材料用于散热应用的领域,并且特别涉及氧化石墨烯衍生的石墨烯单块(monolith)或者石墨烯单晶，其展现出如下性能的组合：格外高的热导率、高的电导率、高的机械强度、良好的表面抗划伤性和良好的硬度。

发明背景

已知碳具有五种独特的晶体结构,包括金刚石、富勒烯(0-D纳米石墨材料)、碳纳米管(1-D纳米石墨材料)、石墨烯(2-D纳米石墨材料) 和石墨(3-D石墨材料)。

碳纳米管(CNT)是指以单壁或多壁生长的管状结构。碳纳米管具有几纳米到几百纳米量级的直径。其纵向、空心结构赋予材料独特的机械、电学和化学性质。CNT是1-D(一维)纳米碳或1-D纳米石墨材料。

块体天然鳞片石墨是3-D石墨材料，每个颗粒由多个晶粒(或石墨单晶或微晶)构成，其具有界定邻近石墨单晶的晶界(无定形或缺陷区)。每个晶粒由互相平行取向的多个石墨烯平面构成。石墨微晶中的石墨烯平面是由占据二维六方晶格的碳原子构成。在给定的晶粒或单晶中, 石墨烯平面在晶体学c-方向(垂直于石墨烯平面或基面)堆叠或通过范德华力结合。虽然一个晶粒中的所有石墨烯平面是互相平行的,典型地一个晶粒中的石墨烯平面和相邻晶粒中的石墨烯平面在取向上是不同的。换而言之,石墨颗粒中的不同晶粒的取向典型地从一个晶粒到另一个晶粒不同。

石墨单晶(微晶)是各向异性的，沿基面中的方向(晶体学a或b 方向)测量的性质显著不同于如果沿晶体学c-方向测量(厚度方向)的性质。例如,石墨单晶的热导率在基面中(晶体学a-和b-轴方向)可以高达约1920W/mK(理论值)或1800W/mK(实验值),但沿晶体学c-轴方向小于10W/mK(典型地小于5W/mK)。因此,由不同取向的多个晶粒构成的天然石墨颗粒具有介于这两个极限之间的性质。在许多应用中非常期望的是生产块体石墨颗粒(含有单个或多个晶粒)，其具有足够大的尺寸并且所有石墨烯平面沿一个期望方向基本上互相平行。例如, 非常期望具有一种块体石墨颗粒(例如多个石墨烯平面的单体层物体)，所有的石墨烯平面大体上互相平行)并且该单体层物体对特定应用具有足够大的长度/宽度(例如5cm²，对于用作智能手机的CPU上的散热片而言)。

可以从石墨微晶提取或分离石墨微晶的成分石墨烯平面以形成碳原子的单独石墨烯片。通常将分离的、单独的石墨烯片称为单层石墨烯。通常将在厚度方向通过范德华力结合的多个石墨烯平面的堆叠体称为多层石墨烯,典型地具有至多300层或石墨烯平面(在厚度上 100nm),但更典型地至多30个石墨烯平面(在厚度上10nm),再更典型地至多20个石墨烯平面(在厚度上7nm)，并且最典型地至多10个石墨烯平面(在科学界通常被称为少层石墨烯)。将单层石墨烯和多层石墨烯片统称为“纳米石墨烯片晶”(NGP)。石墨烯或NGP是新类型的碳纳米材料(2-D纳米碳),其不同于0-D富勒烯、1-D CNT和3-D石墨。