利用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法优化膨胀石墨性质的研究

Expanded graphite possesses excellent properites, such as high temperature resistance, good heat conduction, chemical stability, good electronic conduction, self-lubrication, low density and flexiblity etc.,therefore, it can be applied in many fields, like heat insulation, sound insulation, fire extinguishing, lubrication and sealing materials under extreme conditions, electrode material, and super-low-S highly-pure nuclear-level flexible graphite. However, fabricated by the common method of chemical oxidization by using several kinds of oxidants and intercalating agents,the expanded graphite contains residue of the above-mentioned substances, besides, the chemical bonds of the expanded graphite will be damaged, which jeopardizes the properties of the expanded graphite. Our research project,by placing expanded graphite in plasma of carbon-containing gas such as methane,at a relatively low temperature of around 500℃, and through chemical reaction in PECVD system, will at the atomic and molecular level, without harming sp2 C-C bonds of the expanded graphite, etch the residue contained in the expanded graphite, and meanwhile, repair the defects generated duing the fabrication process of the expanded graphite. Therefore, the project will contrubute a lot to the optimization and improvement of the properties and performance of the expanded graphite.

膨胀石墨具有许多优良性质，如耐高温、导热性优异、化学稳定性和导电性良好、自润滑性、密度小、柔性好、疏松多孔、可压缩回弹等，因此在隔热、隔音、灭火材料、极端环境下的润滑材料和密封材料、电极材料、超低硫高纯核能级柔性石墨材料等领域有广泛的应用。然而，目前膨胀石墨主要是通过化学氧化法制备，制备过程中需应用氧化剂和插层剂，会在膨胀石墨中残留有杂质原子和分子，并且会对其化学键造成破坏，从而危害其性能。该项目研究利用等离子体反应的特点，将膨胀石墨置于含碳气体如甲烷的等离子体氛围中，在500℃左右的相对较低温度下，可以在原子和分子层面上，在不损害膨胀石墨的sp2杂化C-C键的条件下，将膨胀石墨中的杂质通过等离子体氛围中的化学反应而刻蚀掉，同时，将其中的因碳-碳键破坏所造成的缺陷修补好，最终优化、提高膨胀石墨的性质和应用性能。

项目的背景：.早在石墨烯发现以前，1958年，Hummers就发现了制备石墨氧化物的方法，之后，利用类似的方法步骤，膨胀石墨也被制备出来，并应用与工业生产和生活。.另一方面，自石墨烯发发现以来，多种制备方法已经被发现，如机械解离法、化学湿法氧化还原法、金属表面的催化沉积法、碳化硅表面原子蒸发法等等，其中化学湿法氧化还原法就是之前Hummers所利用的方法，是一种高产量、低成本的方法，然而，因其制备过程利用强的氧化剂KMnO4，浓H2SO4，所制备的石墨烯质量比较差，晶格结构里面会产生大量缺陷，而且也混有上述物质的残留成分，影响了石墨烯的性能。.之后，随着研究的发展，石墨烯由原来的严格定义的单层碳原子范围逐渐扩大，少层甚至多层的碳原子都被称为石墨烯，当然，部分原因是市场上对石墨烯炒作。.主要研究内容：.在获得国家自然科学基金委的资助之后，本项目主持人以及参与者就马上着手进行项目的研究。一方面，按照项目申请书中的构想，制备了膨胀石墨和石墨烯并用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）对其进行结构和性能的优化，但是在我们的多次努力之下，并没有取得比本人之前的研究成果有显著提高的结果；另一方面，我投入了大量的时间和精力，转向了对石墨烯PECVD法N掺杂、多种碳源气体和液体制备石墨烯、以及其他碳材料（如一维碳链）的制备方面的探索和研究。.研究结果、数据及其科学意义：.第一，除了用甲烷之外，用乙烯、乙炔、苯甚至液体的硅油的蒸汽都可以用我们的方法制备出微晶的少层或者多层的石墨烯。而硅油中因为含有C、Si和O，所制备的材料中除了含有石墨烯成分，还含有氧化硅等成分，因而是一种石墨烯的复合材料；.第二，我们发现，在用乙烯生长石墨烯的过程中，加入H2对石墨烯的生长速度和质量没有很显著的影响，而加入O2后，其生长速度会变慢，但是其质量会有显著的提高；.第三，我们的研究证明，用我们的PECVD方法和体系，比较难以将N原子以C-N健化学掺杂的形式掺杂到石墨烯中；.第四，我们希望得到的……=C=C=C=C……或者……C-C≡C-C≡C-C≡……并没有被我们观察探测到，这或许是由于这些物质极不稳定，在合成之后马上分解，或者是并没有生成这些物质。.其支撑数据见正文和附件材料。