自石墨烯被成功制備以來,其優(yōu)良的導電、導熱等性能,迅速引起了世界各國的廣泛關注,成為材料界以及工程領域研究的重點。隨著石墨烯技術(shù)和應用的推進,如何簡單、高效、大規(guī)�；牧慨a(chǎn)高品質(zhì)石墨烯成為當下研究的難點。目前,石墨烯制備方法眾多,而液相剝離法通過超聲手段將石墨烯從石墨表面剝離出來,操作簡單、制備成本低且不會破壞石墨烯的量子結(jié)構(gòu),有望作為實現(xiàn)量產(chǎn)化高品質(zhì)石墨烯的制備方法,而石墨烯超聲制備設備中的超聲波振動系統(tǒng)、反應器的結(jié)構(gòu)設計,直接決定著超聲波的聲場分布,繼而決定石墨烯的超聲剝離效果,所以對石墨烯超聲制備設備的優(yōu)化研究具有重要的現(xiàn)實意義。本文在對液相剝離法以及超聲振動原理分析的基礎上,完成了對超聲設備的優(yōu)化設計,為后續(xù)工業(yè)級制備石墨烯奠定了良好的基礎。本文主要對以下幾個方面進行了研究:(1)通過對石墨烯超聲制備影響因素的分析,綜合溶劑種類、超聲功率、超聲頻率、超聲時間等做出實驗級優(yōu)化處理,為后續(xù)工具頭的優(yōu)化設計具有實驗指導意義。(2)針對石墨烯超聲制備設備中的聲強以及均勻度問題,對超聲波工具頭優(yōu)化設計進行了主要研究。分別對四節(jié)鞭式、啞鈴式超聲波工具頭進行三維建模,采用ANSYS有限元仿真分析,完成菱形式超聲波工具頭優(yōu)化設計。實驗表明,菱形式超聲波工具頭聲強大且振幅均勻。最后給出了超聲波振動系統(tǒng)中菱形式工具頭CAD結(jié)構(gòu)圖,并對振子各部分尺寸設計和安裝方式進行了詳細說明。(3)通過分析反應器內(nèi)的聲場分布對石墨烯剝離效果的影響,確定反應器優(yōu)化設計的基本內(nèi)容,包括反應器的選型、管徑與管長的確定、串聯(lián)以及單釜循環(huán)反應器設計等。針對溫度上升導致石墨烯分散液形態(tài)絮亂以及超聲振動設備不穩(wěn)定的問題,設計了冷卻水循環(huán)溫度控制系統(tǒng)。分析研究了磁場對石墨烯運動形態(tài)的影響,提出磁場聲場聯(lián)合處理的方法,并設計出了磁力反應器。(4)為實現(xiàn)簡單、高效、大規(guī)模化量產(chǎn)石墨烯,提出工業(yè)級石墨烯超聲制備方案,包括設備的整套工藝流程以及自動化監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)無人值守遠程監(jiān)控設備狀態(tài)的功能。并對實際生產(chǎn)線上制備的石墨烯給出了SEM、TEM、AFM表征分析報告,為大規(guī)模化石墨烯生產(chǎn)提供了理論指導及實驗依據(jù)。
【學位單位】：杭州電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ127.11
【部分圖文】：

圖 1.1 儲物攪拌、熱插層罐預處理液置入超聲剝離設備中，當超聲波作用在液體介質(zhì)在超聲波的振動下，迅速膨脹變大，當聲壓足夠大時，氣“撕開”形成一空洞[36]，形成負壓區(qū)，這個過程伴隨著巨強變大，液體表面的張力、以及周圍環(huán)境溫度等都會發(fā)生聲波作用在液體中時，會不斷有小氣泡產(chǎn)生，如下圖 1.2示意圖。超聲波空化效應是液體中出現(xiàn)的獨有的現(xiàn)象，固象[37]。所以根據(jù)上述原理，氣泡破碎產(chǎn)生的巨大能量即沖樣，石墨表面會產(chǎn)生反射拉力，能量越大，作用力就會越會將石墨烯片層從石墨表面剝離出來。利用“超聲空化作擊石墨表面，可以很輕易分散制得少層石墨烯。顯而易見理現(xiàn)象，不會破壞石墨烯的量子結(jié)構(gòu)。并且隨著超聲時間聲功率也大，剝離效果更好，但超過一定值時反而會降低取決于石墨烯片層間的范德華力，超聲波振幅越大，能量

圖 1.1 儲物攪拌、熱插層罐預處理液置入超聲剝離設備中，當超聲波作用在液體介在超聲波的振動下，迅速膨脹變大，當聲壓足夠大時，氣撕開”形成一空洞[36]，形成負壓區(qū)，這個過程伴隨著巨變大，液體表面的張力、以及周圍環(huán)境溫度等都會發(fā)波作用在液體中時，會不斷有小氣泡產(chǎn)生，如下圖 1.示意圖。超聲波空化效應是液體中出現(xiàn)的獨有的現(xiàn)象，固象[37]。所以根據(jù)上述原理，氣泡破碎產(chǎn)生的巨大能量即沖，石墨表面會產(chǎn)生反射拉力，能量越大，作用力就會將石墨烯片層從石墨表面剝離出來。利用“超聲空化擊石墨表面，可以很輕易分散制得少層石墨烯。顯而易理現(xiàn)象，不會破壞石墨烯的量子結(jié)構(gòu)。并且隨著超聲時功率也大，剝離效果更好，但超過一定值時反而會降取決于石墨烯片層間的范德華力，超聲波振幅越大，能力越大，越容易平衡范德華力，所以剝離效果會更明顯

71.超聲波發(fā)生器 2.超聲波振子 3.電纜 4.物料循環(huán)泵5.萬向輪 6.連接管 7.反應器8.進料流量調(diào)節(jié)閥 9.進料控制閥圖 2.1 石墨烯超聲制備設備結(jié)構(gòu)圖器 1 與超聲波振子 2 使用專用電纜連接起來，并關閉 9。將超聲波發(fā)生器 1 背后的“空氣開關”撥至“ON“啟動”按鈕，電源開始搜頻，待電源指示燈為常亮。 4 插頭插上電源，打開進料流量調(diào)節(jié)閥 8，使物料以正常之后，通入冷卻循環(huán)水，保證物料溫度不會急劇再次按下“啟動”按鈕，同時將超聲波驅(qū)動電源背后的，關閉電源。
【參考文獻】

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本文編號：2856926