一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法技术

本发明专利技术公开了一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法。所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。所述方法能够在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质，克服了传统传感器灵敏度低、寿命短，易衰减等缺陷，为空间钻探用石墨烯复合传感器提供了新的合成方法，为金属催化SiC合成石墨烯研究和应用提供了新的思路。

A method for in situ growth of Shi Moxi sensor matrix on cemented carbide

The present invention discloses a method for in situ growth of Shi Moxi sensor substrate on cemented carbide. In this method, amorphous SiC films were deposited on the hard alloy surface by magnetron sputtering with medium frequency magnetron sputtering, and the graphene sensor substrate was grown by vacuum annealing on the hard alloy surface. The method is capable of graphene sensor matrix required for growth space drilling in situ surface hard alloy, overcomes the sensitivity of the sensor is low, short service life, easy decay and other defects, for space drilling graphene composite sensor provides a new synthetic method, provides a new idea for the research and application of metal catalytic synthesis of SiC graphene.

【技术实现步骤摘要】
一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法
本专利技术属于材料
，具体涉及一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法。
技术介绍
空间钻探是直接获取行星地质结构和矿产分布信息的唯一方法，而钻探信息的获取依赖于在硬质合金钻具表面的传感器。石墨烯复合传感器是应对传统传感器灵敏度低、寿命短，易衰减等缺陷的最佳选择，遗憾的是，至今尚未有一种公认的方法能在硬质合金表面原位合成石墨烯传感器基质来满足空间钻探的需要。空间钻探中停钻、卡钻、钻具磨损等故障检测都需要硬质合金表面应变传感器来实时准确反馈扭矩、温度、转速等信息。传统的金属和半导体应变传感器灵敏度低、寿命差，受空间辐照和极端温度的影响性能易衰减。由石墨烯基质复合功能材料形成的石墨烯基应变传感器是一种理想的选项，具有灵敏度高和寿命长的特点。带有空心石墨烯球的石墨烯片层满足理想石墨烯基质对高比表面积的要求，通过降低应变传感器的尺寸和功耗来显著提高传感器的有效性。现有石墨烯基质合成中存在的主要问题有两个：(1)无法一步得到石墨烯基质。要先合成石墨烯片，再合成石墨烯球，且石墨烯片在使用期间需要在不同基材间转移。(2)石墨烯片转移带来的应用问题。转移产生杂质等缺陷使石墨烯基质的机械和电学性能降低；与基材之间结合力差，石墨烯易在使用期间从基材表面脱落。我们的想法是，利用硬质合金中的粘结相Co催化非晶SiC原位生长带有空心石墨烯球的石墨烯薄膜，满足原位生长石墨烯基质的要求。石墨烯片转移期间带来的问题是困扰石墨烯基质应用的瓶颈，利用金属催化非晶SiC原位生长石墨烯基质有望真正获得所需要的石墨烯传感器。金属催化SiC是通过金属层中碳原子溶解析出形成石墨烯，退火是一种简单而有效的手段，退火温度直接影响金属催化石墨烯的层数。很少看到有关利用退火实现金属催化SiC原位生长石墨烯基质的系统报道：(1)利用非晶SiC取代价格昂贵的单晶SiC，通过金属催化原位生长石墨烯；(2)退火温度对生成石墨烯层数的影响；(3)石墨烯生成及层数变化过程中Si原子的作用机理。只有利用非晶SiC原位生长石墨烯，明确石墨烯层数变化及Si原子的作用机理，才能在所需基材上原位生长石墨烯基质。
技术实现思路
为了在硬质合金表面原位合成空间钻探所需要的传感器基质，本专利技术提供一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，通过所述方法，可以在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。为实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案：一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。所述硬质合金是指含有Co的硬质合金。所述方法利用硬质合金中的粘结相Co催化非晶SiC原位生长带有空心石墨烯球的石墨烯薄膜，满足原位生长石墨烯基质的要求。优选的，所述退火温度区间为1000℃-1150℃，在此温度区间内，石墨烯层数随退火温度升高而增加；退火温度升高，Co催化Si粒子挥发加剧，Co相增多，生成石墨烯的层数增加；Si粒子的作用实质是三个机理共同作用的结果，Si粒子含量影响金属Co的存在形式，导致石墨烯生成及层数变化。优选的，退火处理时间为90分钟以上，达到退火时间后，硬质合金在真空环境中随炉冷却。随着退火温度从1000℃升至1150℃，石墨烯层数增加，膜层缺陷增多，石墨烯质量下降。所述的Si粒子的三个作用机理是：(a)Si粒子与Co反应，C粒子呈游离态；(b)Si粒子含量减少，C粒子析出生成石墨烯；(c)Si粒子消失，石墨烯层数增加。一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，所述方法包括以下步骤：1)选择基材：选择硬质合金作为基材，优选的，选择含有Co的硬质合金作为基材；2)基材预处理：将基体在丙酮和无水乙醇溶液中分别用超声波清洗10min，用氮气吹干后置于真空室中待沉积；3)沉积SiC：利用中频磁控溅射系统沉积SiC薄膜；4)退火处理：利用真空高温炉退火处理SiC镀膜硬质合金，退火温度为1000℃-1150℃，退火处理时间为90分钟以上，达到退火时间后，硬质合金在真空环境中随炉冷却。本专利技术的优点和有益效果为：利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质，克服了传统传感器灵敏度低、寿命短，易衰减等缺陷，为空间钻探用石墨烯复合传感器提供了新的合成方法，为金属催化SiC合成石墨烯研究和应用提供了新的思路。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术实施例所述的硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜在五种不同温度下的Raman谱图。图2为本专利技术实施例所述的硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜在五种退火温度下的XRD谱图。图3为本专利技术实施例所述的1000℃和1150℃退火温度下Si片表面非晶SiC薄膜的XRD谱图。图4为本专利技术实施例所述的Co催化SiC薄膜在五种温度下的SEM图。图中，(a)是未退火；(b)是700℃退火；(c)是850℃退火；(d)是1000℃退火；(e)是1150℃退火。图5为本专利技术实施例所述的Co催化非晶SiC薄膜五种温度下的EDS图。图6为本专利技术实施例所述的硬质合金表面低温磁控溅射非晶SiC薄膜退火制备石墨烯的机理示意图。实施例本实施例在含Co硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质，探讨Co催化SiC薄膜生成石墨烯基质中退火温度的影响和Si原子的作用机理。包括以下步骤：1、样品制备1)选择基材：基体为两种片材，单晶硅片Si用于SiC薄膜的结构参照，硬质合金YG8(WC-Co8％)用于石墨烯基质的结构分析；2)基材预处理：将基体在丙酮和无水乙醇溶液中分别用超声波清洗10min，用氮气吹干后置于真空室中待沉积；3)沉积SiC：利用中频磁控溅射系统沉积SiC薄膜，沉积期间，利用Si靶溅射和乙炔气体反应，沉积SiC薄膜，膜厚度约1.0μm，主要工艺参数见表1；4)退火处理：在真空退火炉中加热退火处理镀膜试片，利用硬质合金中Co催化SiC薄膜原位生长石墨烯基质。退火温度分别为700℃、850℃、1000℃和1150℃；退火时间均为90min，炉内压强维持在5×10-4Pa以下；达到退火时间后，试片在真空环境中随炉冷却。表1SiC薄膜制备的主要工艺参数2、石墨烯的表征采用X射线衍射仪分析薄膜的显微结构；采用Raman光谱仪分析石墨烯薄膜的价键结构与层数；采用SEM分析薄膜表面形貌；采用EDS分析表面薄膜成分。3、结果与讨论3.1利用硬质合金中Co退火催化表面非晶SiC膜原位生成石墨烯参见图1，在未退火和700℃、850℃退火区间，硬质合金表面的非晶SiC薄膜呈现漫衍射峰，这是典型的非晶结构特征；表明在此温度区间，随着退火温度升高，SiC薄膜没有发生显著的结晶反应，薄膜保持非晶结构。当退火温度升至1000℃和1150℃，Raman谱图出现了有D峰、G峰和对称2D峰，G峰的出现表示生成了石墨相，D峰表示物相结构的混乱程度，对称2D峰的出现显示生成了石墨烯。表2列出1000℃和1150℃退火生成石墨烯D峰、G峰和2D峰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。

【技术特征摘要】
1.一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：所述方法采用中频磁控溅射技术在硬质合金表面磁控溅射沉积非晶SiC薄膜，利用真空退火在硬质合金表面原位生长空间钻探所需的石墨烯传感器基质。2.如权利要求1所述的一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：所述硬质合金是指含有Co的硬质合金。3.如权利要求1或2所述的一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：所述方法利用硬质合金中的粘结相Co催化非晶SiC原位生长带有空心石墨烯球的石墨烯薄膜，满足原位生长石墨烯基质的要求。4.如权利要求1或2所述的一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：所述退火温度区间为1000℃-1150℃，在此温度区间内，石墨烯层数随退火温度升高而增加；退火温度升高，Co催化Si粒子挥发加剧，Co相增多，生成石墨烯的层数增加；Si粒子的作用实质是三个机理共同作用的结果，Si粒子含量影响金属Co的存在形式，导致石墨烯生成及层数变化。5.如权利要求1所述的一种在硬质合金上原位生长石墨烯传感器基质的方法，其特征在于：退火处理时...

【专利技术属性】
技术研发人员：于翔，刘飞，任毅，张震，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11