石墨烯被稱作是新材料之王的“黑金”，是至今為止發(fā)現(xiàn)的最薄，最堅硬，導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能最強的一種新型納米材料。隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，對石墨烯的制備技術(shù)的要求也越來越高，通過超聲波分散石墨烯可以實現(xiàn)石墨烯低成本、大規(guī)模的生產(chǎn)以及廣泛商業(yè)化應(yīng)用, 廣范應(yīng)用在感光元件、新能源、傳感器、油漆涂料、電極、電池、晶體管、柔性顯示屏、太陽能、超輕材料、復(fù)合材料、海水淡化等眾多領(lǐng)域。

什么是石墨烯

自然界中存在大量的石墨材料，厚1毫米的石墨大約包含幾百萬層石墨烯，而其中只有一個原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，被稱之為石墨烯，所以又叫做單原子層石墨。石墨烯是一種由碳原子組 成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，一般在自由狀態(tài)下都以多層石墨烯層疊的石墨片的形式存在。石墨烯具有極佳的透光性，很高的導(dǎo)熱系數(shù)和電子遷移率。此外它還是世界上電阻率最小的材 料，并且具有很多材料不具備的高機械強度和韌性。一般來說，由于石墨片的層間作用力較弱，可以借助外力進(jìn)行層層剝離而獲取一個碳原子厚度的單層石墨烯。

常見的石墨烯制備方法

1）機械剝離法：機械剝離法是利用材料和石墨烯之間產(chǎn)生摩擦和相對運動，而得到石墨烯單層材料的方法。這種方法操作簡單，并且保持著石墨烯完整的晶體結(jié)構(gòu)，但產(chǎn)量低，尺寸難以控 制，無法進(jìn)行工業(yè)化量產(chǎn)。

2）碳化硅晶體外延法：通過在超高真空的高溫環(huán)境下脫除硅原子，從而在碳化硅晶體表面外延生長石墨烯，從而得到基于碳化硅襯底的石墨烯，這種石墨烯的導(dǎo)電性受到基底影響，且生長 條件苛刻，對設(shè)備要求較高。

3）化學(xué)氣相沉淀法：將低碳的有機物氣體通入到真空反應(yīng)器中，通過高溫使含碳的氣體分解碳化，持續(xù)一定時間后進(jìn)行冷卻，冷卻過程中在基底表面便會形成數(shù)層或單層石墨烯，此方法比 較適合工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)，但品質(zhì)不如微機剝離法。

4）氧化還原法:一般由石墨經(jīng)強酸氧化而得到氧化石墨烯，再通過化學(xué)方法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯。這種方法特點是產(chǎn)量高但質(zhì)量一般。主要包括Brodie法，Staudenmaier法和 Hummers法三種，其中Hummers可以配合超聲波分散石墨烯，效率較高，屬于目前比較常用的一種。

利用超聲波分散石墨烯原理

石墨烯由于其表面惰性使得它與很多物質(zhì)不相溶而且分散性差，極易團(tuán)聚形成尺寸較大的團(tuán)聚體,并且這種團(tuán)聚體是不可逆的，使得納米顆粒不能以單一的顆粒均勻分散，降低了自身的吸附 能力同時,也不能發(fā)揮其應(yīng)有的納米特性。對納米粉體的應(yīng)用性能以及石墨烯增強復(fù)合材料性能的改進(jìn)產(chǎn)生十分不利的影響。

不使用表面活性劑或分散劑去制備穩(wěn)定且高度濃縮的石墨烯是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。為了克服石墨烯層間的范德華力，超聲空化產(chǎn)生的強大剪切力是制備這種穩(wěn)定分散體的最先進(jìn)方法。超 聲波在液態(tài)中的傳播產(chǎn)生強大的壓力波，形成數(shù)不清的的微觀氣泡，并經(jīng)歷迅速增長，閉合。在氣泡閉合時，由于液態(tài)間的相互碰撞產(chǎn)生強大的沖擊波，在其周邊產(chǎn)生上千個大氣壓的壓力， 從而產(chǎn)生強有力的剪切活動。隨著超聲波功率的提升，超聲波瞬間釋放的壓力破壞了石墨烯層與層之間的范德華力，有效地擴(kuò)大石墨層間距。較大的層間距不僅有利于其他分子、原子等插入 層間形成石墨插層復(fù)合材料，而且更容易被剝離，為下一步制備單層石墨烯打下基礎(chǔ)。此外，通過精確控制超聲處理的工藝參數(shù)，超聲波分散技術(shù)可以避免化學(xué)作用以及晶體結(jié)構(gòu)的損傷，從 而獲取導(dǎo)致原始的、無缺陷的石墨烯薄片。

超聲波石墨烯分散設(shè)備的應(yīng)用

由于超聲石墨烯分散的介質(zhì)對象以及超聲波能量的需求在不同應(yīng)用領(lǐng)域中是不一樣的，一般來說首先需要對少量的液體樣本進(jìn)行空化效果實驗，以確定聲強、振幅、作用時間、溫度等各種參 數(shù)的適用范圍，然后在參數(shù)保持基本不變的基礎(chǔ)上，對設(shè)備進(jìn)行放大設(shè)計，以滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的要求。最基本的超聲波分散設(shè)備由超聲波換能器，超聲波驅(qū)動電源以及超聲波工具頭組成 ，金屬在高頻振蕩拉伸過程中對材料的韌性和強度要求很高，所以一般工具頭一般選用鈦合金材料。根據(jù)處理量的不同石墨烯分散設(shè)備一般分為小型超聲實驗機，中型超聲試驗機以及超聲批 量生產(chǎn)線三種形式：

1）石墨烯小型超聲波實驗設(shè)備

一般由發(fā)生器，換能器，以及實驗固定支架組成，是一種用于測試石墨烯制取或應(yīng)用可行性的實驗設(shè)備。測試內(nèi)容包括振幅、物料配比、反應(yīng)容積、作用時間、溫度等條件對實驗結(jié)果的影響 ，盡可能取得理想的實驗結(jié)果，并做好相關(guān)參數(shù)記錄，為后續(xù)實驗或生產(chǎn)提供標(biāo)準(zhǔn)。

2）石墨烯中型超聲波實驗設(shè)備

由超聲波發(fā)生器、換能器以及循環(huán)反應(yīng)釜組成，此外配有冷卻夾套、加料口、送料泵以及底座等附件，形成石墨烯超聲波生產(chǎn)的一個獨立單元，通過循環(huán)泵實現(xiàn)物料在單個反應(yīng)釜內(nèi)的流動和 處理，模擬工業(yè)生產(chǎn)線的運行。通過設(shè)備確認(rèn)生產(chǎn)效率，反應(yīng)容積和流速，以及合適的超聲波功率以及物料配比。

3）石墨烯超聲波批量生產(chǎn)線

采用多套超聲波設(shè)備組成生產(chǎn)單元的形式，具體的套數(shù)和功率的確認(rèn)和應(yīng)用以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。石墨烯超聲波生產(chǎn)線除之前提到的超聲波設(shè)備和反應(yīng)釜以外，還配備有冷卻循環(huán)用夾套、流量 泵、流量計、電源集中控制柜、反應(yīng)釜固定裝置、隔音棉等等。使用者只需要提供電纜接口、物料接口、冷卻水接口就可以實現(xiàn)石墨烯的工業(yè)化的批量生產(chǎn)。

利用超聲波分散制備和生產(chǎn)石墨烯可以大大提高生產(chǎn)效率，無任何副產(chǎn)品或污染。超聲波本身對物料的化學(xué)反應(yīng)有促進(jìn)作用，因此也可以減少化學(xué)催化劑的用量。不僅可以替代現(xiàn)有的高耗能 高污染的生產(chǎn)方式，也可以對傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行的簡單工藝改造，加入超聲波分散設(shè)備，滿足石墨烯單質(zhì)的制備需求。