Производство графена – молодое и перспективное направление промышленности. Молодое, потому что графен был открыт сравнительно недавно – всего пятнадцать-шестнадцать лет назад. А перспективное – из-за интересных, в некотором роде уникальных, свойств графена.

Что такое графен и чем он интересен

Долгое время считалось, что материалы с двумерной кристаллической решеткой не существуют. Но в начале 2000-х британские физики Гейм и Новоселов начали эксперименты, которые в итоге увенчались открытием двумерного кристалла, который назвали графеном. Решетка графена состоит из атомов углерода, которые упорядочены в плоскости в виде гексагональной структуры. Внешне картина напоминает соединенные между собой шестиугольники.

Графен получают из графита. В простейшем случае для производства материала можно использовать скотч, который прикладывается липкой поверхностью к графиту, а затем отрывается. На поверхности скотча остаются небольшие частички графита. Далее скотч складывается пополам и растягивается в разные стороны. В результате остаточные частички графита становятся все тоньше и через 10-15 повторений растягиваний они уже  являются, по сути, графеном.

Чем же интересен графен? В первую очередь тем, что это очень легкий материал, но при этом весьма прочный. Прочность графена в 200 раз превышает прочность стали. Его можно растягивать на 20%, что невозможно для случая других кристаллов. Также графен характеризуется хорошей электропроводностью, химической инертностью и чрезвычайно тонкостью. В это сложно поверить, но всего нескольких грамм этого материала достаточно для того, чтобы полностью покрыть футбольное поле. Все перечисленные свойства открывают перед графеном отличные перспективы для использования в различных отраслях промышленности:

• просвечивающая электронная микроскопия. Графен используется как подложка для изучения объектов и образцов;
• солнечная энергетика. Графен используется при изготовлении прозрачных проводящих покрытий солнечных батарей;
• электроника. Известны графеновые полевые транзисторы с более высоким коэффициентом усиления, а также интегральные микросхемы;
• экология. Атомы графена более активно взаимодействуют с атомами радиоактивных элементов, чем, например, бентонитовые глины;
• измерительная техника. Графен используется при изготовлении тензодатчиков;
• смазочные материалы. Графен выступает в качестве добавки для консистентных смазок и улучшает их свойства.

Но на данный момент широкое использование графена сдерживается дороговизной его производства. Почему производство графена обходится дорого? Ответ вы найдете в следующем разделе.

Производство графена – пример технологии

Исследуются разные способы производства графена. Для общего представления в этой статье мы рассмотрим только один подход, который, тем не менее, очень показателен.

Итак, для получения графена необходимо пройти несколько последовательных этапов:

1. Диспергировать графит в растворителе до получения суспензии.
2. Обработать полученную суспензию в коллоидной мельнице.
3. Произвести центрифугирование суспензии.
4. Выполнить фильтрацию под вакуумом и сушку.

Только после окончания четвертого этапа получают графен. Как видим, производство графена характеризуется многостадийностью и использванием химических веществ, что существенно повышает себестоимость получения материала. Интуитивно понятно, что для того, чтобы снизить стоимость графена необходимо искать варианты без применения реагентов и с сокращением количества стадий производства. Решением данной задачи может стать аппарат вихревого слоя типа АВСп-150.

Как работает аппарат вихревого слоя АВСп-150

Классический аппарат вихревого слоя состоит из индуктора, рабочей камеры из немагнитного материала и ферромагнитных частиц, которые помещаются в рабочую камеру (рисунок 1).

Рисунок 1 – Аппарат с вихревым слоем ферромагнитных частиц: 1 – защитная втулка; 2 – индуктор вращающегося электромагнитного поля; 3 – корпус индуктора; 4 – рабочая камера из немагнитного материала; 5 – ферромагнитные частицы

В результате подачи напряжения на обмотку индуктора в рабочей камере наводится вращающееся электромагнитное поле, которое захватывает ферромагнитные частицы. Частицы двигаются по сложным траекториям и постоянно соударяются друг с другом, с обрабатываемым материалом и со стенками рабочей камеры. Поэтому траектория движения каждой отдельно взятой ферромагнитной частицы сложная, а совокупность этих траекторий образует вихревой слой. При этом в вихревом слое возникают разные факторы, которые воздействуют на обрабатываемый материал. Среди наиболее важных факторов:

• прямое ударное воздействие ферромагнитных частиц на обрабатываемый материал;
• электромагнитное поле;
• ультразвуковые колебания;
• кавитация (при обработке материала в жидкой среде, например, воде);
• большие локальные давления и др.

Под совокупным влиянием перечисленных факторов обрабатываемые материалы измельчаются, перемешиваются и приобретают новые свойства. Теперь давайте посмотрим, как можно использовать аппарат вихревого слоя для производства графена.

Рисунок 2 – Аппарат вихревого слоя АВСп-150

Производство графена с использованием аппарата вихревого слоя

Для производства графена предлагается пройти не четыре, а всего два этапа. На первом природный графит необходимо измельчить до размера фракции 1 мм. Для этого можно использовать обычные промышленные мельницы. На втором этапе предварительно измельченный графит помещается в рабочую камеру аппарата вихревого слоя АВСп-150. Особенность этой модели аппарата заключается в горизонтальном размещении рабочей камеры и ее постоянном продольно-поступательном движении. За счет этого движения графит дополнительно перемешивается и распределяется по объему рабочей камеры, что дополнительно усиливает воздействие вихревого слоя.  Обработка в аппарате АВСп-150 длится от 5-10 до 30 минут. На выходе имеем готовый наноразмерный графен (рисунок 4).

Рисунок 3 – Рабочая камера аппарата АВСп-150 в процессе производства графена

Рисунок 4 – Графен, полученный с помощью аппарата вихревого слоя АВСп-150

Преимущества технологии производства графена с использованием аппарата вихревого слоя

Производство графена с использованием аппаратов вихревого слоя имеет следующие преимущества:

• процесс не требует использования катализаторов и химических реагентов;
• уменьшение количества этапов производства графена, ускорение процесса во времени;
• для производства графена в аппарате вихревого слоя может использоваться графит разных видов (плотнокристаллический, кристаллический, скрытокристаллический);
• снижение себестоимости производства графена.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с нашими техническими специалистами, воспользовавшись контактами из соответствующего раздела сайта.