【摘 要】
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电爆法作为一种新型制备石墨烯的方法,具有电爆产物纯度高、工艺参数易于控制、方法通用性强、绿色环保等优点,是制备石墨烯最有发展前景的技术之一。本文设计开发一套约束电爆试验装置,其主要由电气控制电路、真空系统、电爆单元、混粉室部分组成。该装置不仅可用于制备石墨烯,通过调整工艺过程,还可用于电爆沉积涂层的制备。以石墨粉作为电爆原料,在整个电爆过程都是在保护气氛中进行,爆炸剥离后的石墨烯片悬浮在气体介质中
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电爆法作为一种新型制备石墨烯的方法,具有电爆产物纯度高、工艺参数易于控制、方法通用性强、绿色环保等优点,是制备石墨烯最有发展前景的技术之一。本文设计开发一套约束电爆试验装置,其主要由电气控制电路、真空系统、电爆单元、混粉室部分组成。该装置不仅可用于制备石墨烯,通过调整工艺过程,还可用于电爆沉积涂层的制备。以石墨粉作为电爆原料,在整个电爆过程都是在保护气氛中进行,爆炸剥离后的石墨烯片悬浮在气体介质中,利用气流循环,使石墨烯片反复滤过要混合的金属固体颗粒,得到均匀分散的石墨烯/金属混合粉末,从而解决石墨烯/金属复合材料中,石墨烯分布不均匀的问题。将上述混粉方式得到的石墨烯/金属混合粉末作为电爆原料,在不同工艺参数下进行电爆沉积涂层制备,分析电爆制备石墨烯/金属复合涂层的工艺参数对沉积涂层的成形影响。在爆炸管直径为4mm,粉末量为12mg,不同电容器初始电压条件下,进行系列电爆制备石墨烯试验,分析电容器初始电压对石墨烯的形貌特征及层数的影响。结果表明:在初始电压较低时,电爆产物中存在没有被充分剥离的石墨片,当初始电压升高至14k V时,电爆原料被全部剥离为小片径的石墨烯。电爆产物的拉曼光谱表明,小片径石墨烯为少层数石墨烯,使用原子力显微镜对初始电压为14k V的电爆产物进行观察石墨烯层数为3层。使用扫描电镜对所得的石墨烯/金属混合粉末观察发现,石墨烯均匀的吸附于金属颗粒的表面。将其作为喷涂原料,分析电爆制备石墨烯/金属复合涂层的工艺参数对涂层成形的影响。结果表明,在喷涂距离较近时,形成的涂层由大颗粒的熔滴堆积形成;在喷涂距离较远时,形成的涂层以固相小颗粒堆积为主,在喷涂距离为20mm时,形成涂层的熔滴颗粒尺寸小,涂层平整均匀。当喷涂电压较低时,涂层的表面存附着有未充分熔合的颗粒,石墨烯/铝混合粉末在初始电压为13k V时,得到的涂层致密,石墨烯/银混合粉末在初始电压为14k V时,得到的涂层致密;继续升高初始电压,涂层形貌不再发生明显变化。混合粉末中石墨烯的添加,增加了复合粉末的导电性,提高了沉积于复合粉末上的能量密度,进而提升了复合粉末的沉积效率。通过Scherrer公式计算出沉积涂层的晶粒尺寸为几十纳米,对各涂层进行硬度测试得到1wt.%石墨烯/铝基复合涂层的硬度为168.6HV,4wt.%石墨烯/银基复合涂层硬度为152.4HV。约束电爆法制备涂层过程不需要对基体材料进行预热,熔融态喷涂粒子高速喷射于基体表面,快速冷却凝固使得晶粒细化,提高了涂层的硬度。
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