Brevet FR3028849A1 — publié le 20160527

PROCEDE DE FABRICATION DE PLAQUETTES DE GRAPHENE La présente invention concerne un procédé de 5 fabrication de plaquettes de graphène, et, en particulier, un procédé de fabrication de plaquettes de graphène par un flux d'air. Le graphène est un allotrope du carbone, et est une matière bidimensionnelle formée par des atomes de 10 carbone dans un arrangement en réseau en nid d'abeilles hexagonal. A partir des perspectives des matières, étant donné que le graphène présente les caractéristiques d'être transparent et d'avoir une conductivité électrique élevée, une conductivité thermique élevée, un rapport résistance 15 sur poids élevé et une bonne ductilité, le graphène a de bons potentiels de développement. La publication de la demande de brevet américain N° 2010/0237296 divulgue un procédé classique de fabrication de graphène, « Réduction d'oxyde de graphène en 20 graphène dans des solvants à point d'ébullition élevé ». Une feuille d'oxyde de graphène unique est dispersée dans l'eau pour obtenir une dispersion, et un solvant est ajouté à la dispersion pour former une solution. Le solvant peut être la N-méthylpyrrolidone, l'éthylène glycol, le 25 glycérol, la diméthylpyrrolidone, l'acétone, le tétrahydrofurane, l'acétonitrile, le diméthylformamide, une amine ou un alcool. La solution est ensuite chauffée à environ 200°C et purifiée afin d'obtenir une feuille de graphène unique. En outre, la publication de la demande de 30 brevet américain N° 2010/0323113 divulgue un procédé pour synthétiser du graphène. Dans la divulgation ci-dessus, un hydrocarbure est maintenu à une température élevée de 40°C à 1000°C, et des atomes de carbone sont implantés dans un 3028849 2 substrat. Le substrat peut être fait d'un métal ou d'un alliage. A mesure que la température diminue, le carbone se dépose pour se diffuser hors du substrat afin de former une couche de graphène. Les procédés ci-dessus de fabrication de graphène non seulement ont des processus compliqués mais encore présentent des vitesses de fabrication lentes, de telle sorte que la production ne peut pas être augmentée de façon efficace. Par conséquent, il y a un besoin pour une solution qui améliore de tels problèmes. Un objectif principal de la présente invention est de résoudre les problèmes de processus compliqués, de vitesses de fabrication lentes et de production inefficace des procédés classiques pour la fabrication de graphène. Afin d'atteindre cet objectif, la présente invention propose un procédé de fabrication de graphène. Le procédé comprend les étapes suivantes : Dans l'Etape 1, on se procure une pluralité de blocs de graphite. Chacun des blocs de graphite comprend une pluralité de couches de graphène empilées. Une liaison est formée entre deux couches de graphène successives par une force de van der Waals. Dans l'Etape 2, les blocs de graphite sont placés dans une chambre, et l'on introduit un flux d'air direct et un flux d'air inverse dans la chambre. Le flux d'air direct forme un premier trajet d'écoulement dans la chambre, et le flux d'air inverse forme un second trajet d'écoulement dans la chambre. Une interface de flux d'air est formée entre le flux d'air direct et le flux d'air inverse. Dans l'Etape 3, un flux d'air de cisaillement produit par l'interface de flux d'air est appliqué aux blocs de graphite. Le flux d'air de cisaillement a une énergie suffisante pour endommager la force de van der 3028849 3 Waals de telle sorte qu'une partie des couches de graphène se désengage. Dans l'Etape 4, une pluralité de pièces de plaquettes de graphène désengagées des blocs de graphite 5 est collectée. Les plaquettes de graphène comprennent une ou plusieurs des couches de graphène. Comme tel, dans la présente invention, le flux d'air de cisaillement produit par l'interface de flux d'air est appliqué aux blocs de graphite, de telle sorte que les 10 couches de graphène se désengagent des blocs de graphite afin de former les plaquettes de graphène. Ainsi, la présente invention propose un procédé de fabrication simple et en outre améliore la production à grande échelle à une vitesse rapide. 15 L'expression « flux d'air » doit être entendue comme signifiant plus généralement « flux de gaz » comme cela apparaîtra ci-après. La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication de plaquettes de graphène, 20 caractérisé par le fait qu'il comprend : Etape 1 : se procurer une pluralité de blocs de graphite, chacun des blocs de graphite comprenant une pluralité de couches de graphène empilées, une liaison formée par une force de van der Waals 25 existant entre deux couches de graphène successives ; Etape 2 : placer les blocs de graphite dans une chambre, et introduire un flux d'air direct et un flux d'air inverse dans la chambre, le flux d'air 30 direct formant un premier trajet d'écoulement dans la chambre, le flux d'air inverse formant un second trajet d'écoulement dans la chambre, une interface de flux d'air se formant entre le 3028849 4 premier trajet d'écoulement et le second trajet d'écoulement ; Etape 3 : appliquer un flux d'air de cisaillement produit par l'interface de flux d'air aux blocs de 5 graphite, le flux d'air de cisaillement ayant une énergie suffisante pour endommager la force de van der Waals pour désengager une partie des couches de graphène ; et Etape 4 : collecter une pluralité de morceaux de 10 plaquettes de graphène, les plaquettes de graphène comprenant une ou plusieurs des couches de graphène. Dans l'Etape 2, les blocs de graphite peuvent être placés dans la chambre d'un dispositif de génération 15 de flux d'air, le dispositif de génération de flux d'air comprenant une première entrée pour recevoir le flux d'air direct et étant en communication avec la chambre, une seconde entrée pour recevoir le flux d'air inverse et étant en communication avec la chambre, et une sortie de flux 20 d'air en communication avec la chambre, l'interface de flux d'air appliquant le flux d'air de cisaillement aux blocs de graphite dans la chambre. Dans l'Etape 3, le dispositif de génération de flux d'air peut comprendre en outre une partie de collecte, 25 dans laquelle les couches de graphène désengagées tombent. Dans l'Etape 4, la partie de collecte peut collecter les plaquettes de graphène. Dans l'Etape 2, le flux d'air direct peut être choisi dans le groupe consistant en air, air sec, azote 30 (N2), argon (Ar), hélium (He), hydrogène (H2), oxygène (02) et ammoniac (NH3). Dans l'Etape 2, le flux d'air inverse peut être choisi dans le groupe consistant en air, air sec, azote 3028849 5 (N2), argon (Ar), hélium (He), hydrogène (H2), oxygène (02) et ammoniac (NH3). Dans l'Etape 3, une vitesse de flux du flux d'air de cisaillement peut se situer entre 1 m/s et 200 m/s. 5 Dans l'Etape 3, l'énergie peut être au moins supérieure à 0,1 kJ/mole. L'énergie peut se situer entre 0,1 kJ/mole et 5 kJ/mole. Les plaquettes de graphène peuvent avoir un 10 diamètre entre 5 nm et 1000 pm. Les objectifs, caractéristiques et avantages précédents de l'invention, ainsi que d'autres, ressortiront à la lecture de la description détaillée suivante, avec référence aux dessins annexés. 15 Sur ces dessins : - la Figure 1 est un diagramme schématique d'étapes selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la Figure 2 est un diagramme schématique de l'utilisation d'un dispositif de génération de flux d'air selon un mode de réalisation de la présente invention ; - la Figure 3A est un premier diagramme schématique d'un flux d'air de cisaillement selon un mode de réalisation de la présente invention ; 30 - la Figure 3B est un second diagramme schématique d'un flux d'air de cisaillement selon un mode de réalisation de la présente invention. 20 25 3028849 6 La Figure 1 présente un diagramme schématique d'étapes selon un mode de réalisation de la présente invention. La Figure 2 présente un diagramme schématique selon un mode de réalisation de la présente invention. Si 5 l'on se réfère à la Figure 1 et à la Figure 2, on peut voir qu'un procédé de fabrication de plaquettes de graphène de la présente invention comprend les étapes suivantes. Dans l'Etape 1, on se procure une pluralité de blocs de graphite 10. Les blocs de graphite 10 sont formés 10 par du graphène. Le graphène est un allotrope du carbone. Structuralement, chaque atome de carbone est lié à trois autres atomes de carbone environnants pour présenter un arrangement en nid d'abeilles ayant de multiples hexagones. Dans le mode de réalisation, la dimension des blocs de 15 graphite 10 peut consister en des grains ou des blocs ayant une longueur, une largeur et une hauteur se situant chacune entre 10 nm et 1000 pm. Chacun des blocs de graphite 10 comprend une pluralité de couches de graphène empilées 11. Une force de van der Waals forme une liaison entre deux 20 couches de graphène successives 11. Dans l'Etape 2, les blocs de graphite 10 sont placés dans une chambre 43, et l'on introduit un flux d'air direct 20a et un flux d'air inverse 20b dans la chambre 43. Le flux d'air direct 20a forme un premier trajet 25 d'écoulement 21 dans la chambre 43, et le flux d'air inverse 20b forme un second trajet d'écoulement 22 dans la chambre 43. Une interface de flux d'air 23 est formée entre le premier trajet d'écoulement 21 et le second trajet d'écoulement 22. Dans le mode de réalisation, on illustre 30 une configuration de la chambre 43 en prenant un dispositif de génération de flux d'air 40 comme exemple. Le dispositif de génération de flux d'air 40 comprend une première entrée 41a, une seconde entrée 41b, une sortie de flux 3028849 7 d'air 42 et la chambre 43. La première entrée 41a reçoit le flux d'air direct 20a pénétrant dans la chambre 43 et est en communication avec la chambre 43. La seconde entrée 41b reçoit le flux d'air inverse 20b pénétrant dans la 5 chambre 43 et est en communication avec la chambre 43. La sortie de flux d'air 42 est en communication avec la chambre 43. Après être entré dans la chambre 43 par respectivement la première entrée 41a et la seconde entrée 41b, le flux d'air direct 20a et le flux d'air 10 inverse 20b forment respectivement le premier trajet d'écoulement 21 et le second trajet d'écoulement 22 dans la chambre. De plus, l'interface de flux d'air 23 est formée entre le premier trajet d'écoulement 21 et le second trajet d'écoulement 22. Le flux d'air direct 20a et le flux d'air 15 inverse 20b peuvent être des gaz tels que l'air, l'air sec, l'azote (N2), l'argon (Ar), l'hélium (He), l'hydrogène (H2), l'oxygène (02) et l'ammoniac (NH3). Les gaz utilisés par le flux d'air direct 20a et le flux d'air inverse 20b peuvent être identiques ou différents. 20 Dans l'Etape 3, un flux d'air de cisaillement 24 produit par l'interface de flux d'air 23 est appliqué aux blocs de graphite 10. Le flux d'air de cisaillement 24 a une énergie suffisante pour endommager la force de van der Waals afin de désengager une partie des couches de 25 graphène 11. Si l'on se réfère à la Figure 3A et à la Figure 3B, on peut voir que la Figure 3A présente un premier diagramme schématique d'un flux d'air de cisaillement de la présente invention. La Figure 3B présente un second diagramme schématique d'un flux d'air de 30 cisaillement de la présente invention. Les détails associés sont donnés ci-après. Comme présenté dans la Figure 3A, lorsque les directions d'écoulement du premier trajet d'écoulement 21 et du second trajet d'écoulement 22 sont 3028849 8 non alignées, le flux d'air de cisaillement 24 produit par l'interface de flux d'air 23 est distribué aux deux côtés opposés de l'interface de flux d'air 23 et est capable de tirer les blocs de graphite 10. Comme présenté dans la 5 Figure 3B, lorsque les directions d'écoulement du premier trajet d'écoulement 21 et du second trajet d'écoulement 22 se font face, le flux d'air de cisaillement 24 produit par l'interface de flux d'air 23 fait directement face à une partie centrale de l'interface de flux d'air 23 pour 10 frapper sur les blocs de graphite 10. Dans la présente invention, le flux d'air de cisaillement 24 a une vitesse de tourbillonnement entre 1 m/s et 200 m/s, et génère une énergie supérieure à 0,1 kJ/mole. Dans un mode de réalisation de la présente invention, de préférence, 15 l'énergie est entre 0,1 kJ/mole et 5 kJ/mole. Comme tel, le flux d'air de cisaillement 24 endommage la force de van der Waals lorsqu'il agit sur les blocs de graphite 10 situés dans la chambre 43, de telle sorte qu'une partie des couches de graphène 11 liées entre elles par la force de 20 van der Waals se désengage des blocs de graphite 10. De plus, une partie du flux d'air direct 20a et du flux d'air inverse 20b quitte la chambre 43 par la sortie de flux d'air 42. Dans l'Etape 4, une pluralité de morceaux de 25 plaquettes de graphène 30 désengagés des blocs de graphite 10 est collectée. Les plaquettes de graphène 30 comprennent une ou plusieurs des couches de graphène 11. En continuation de la description de l'Etape 3, dans le mode de réalisation, le dispositif de génération de flux 30 d'air 40 peut en outre comprendre une partie de collecte 44. La partie de collecte 44 est en communication avec la chambre 43, de telle sorte que les couches de graphène 11 désengagées des blocs de graphite 10 sont 3028849 9 amenées à tomber dans la partie de collecte 44 à partir de la chambre 43 et à être collectées pour obtenir en conséquence les plaquettes de graphène 30 comprenant une ou plusieurs des couches de graphène 11. Les plaquettes de 5 graphène 30 peuvent comprendre 1 à 3 000 000 couches des couches de graphène 11, et ont un diamètre entre 5 nm et 1000 pm. Il devrait être considéré que les valeurs ci-dessus sont des exemples pour expliquer la présente invention, et ne doivent pas être interprétées comme des 10 limitations de la présente invention. En conclusion, dans la présente invention, le flux d'air de cisaillement produit par le flux d'air direct et le flux d'air inverse à l'interface de flux d'air est appliqué aux blocs de graphite. La force de van der Waals 15 qui forme une liaison entre les couches de graphène est endommagée par l'énergie du flux d'air de cisaillement afin de désengager les couches de graphène des blocs de graphite pour former les plaquettes de graphène dans de grandes quantités. Ainsi, la présente invention fournit un procédé 20 de fabrication simple et améliore encore la production à grande échelle à une vitesse rapide. REVENDICATIONS1 - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30), caractérisé par le fait qu'il comprend : 5 Etape 1 : se procurer une pluralité de blocs de graphite (10), chacun des blocs de graphite (10) comprenant une pluralité de couches de graphène empilées (11), une liaison formée par une force de van der Waals existant entre deux couches de 10 graphène successives (11) ; Etape 2 : placer les blocs de graphite (10) dans une chambre (43), et introduire un flux d'air direct (20a) et un flux d'air inverse (20b) dans la chambre (43), le flux d'air direct (20a) formant 15 un premier trajet d'écoulement (21) dans la chambre (43), le flux d'air inverse (20b) formant un second trajet d'écoulement (22) dans la chambre (43), une interface de flux d'air (23) se formant entre le premier trajet 20 d'écoulement (21) et le second trajet d'écoulement (22) ; Etape 3 : appliquer un flux d'air de cisaillement (24) produit par l'interface de flux d'air (23) aux blocs de graphite (10), le flux d'air de 25 cisaillement (24) ayant une énergie suffisante pour endommager la force de van der Waals pour désengager une partie des couches de graphène (11) ; et Etape 4 : collecter une pluralité de morceaux de 30 plaquettes de graphène (30), les plaquettes de graphène (30) comprenant une ou plusieurs des couches de graphène (11). 3028849 11 2 - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, dans l'Etape 2, les blocs de graphite (10) sont placés dans la chambre (43) d'un dispositif de génération 5 de flux d'air (40), le dispositif de génération de flux d'air (40) comprenant une première entrée (41a) pour recevoir le flux d'air direct (20a) et étant en communication avec la chambre (43), une seconde entrée (41b) pour recevoir le flux d'air inverse (20b) et étant en 10 communication avec la chambre (43), et une sortie de flux d'air (42) en communication avec la chambre (43), l'interface de flux d'air (23) appliquant le flux d'air de cisaillement (24) aux blocs de graphite (10) dans la chambre (43). 15 3 - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 2, caractérisé par le fait que dans l'Etape 3, le dispositif de génération de flux d'air (40) comprend en outre une partie de collecte 20 (44), dans laquelle les couches de graphène désengagées tombent. 4 - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 3, caractérisé par le 25 fait que dans l'Etape 4, la partie de collecte (44) collecte les plaquettes de graphène (11) - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le 30 fait que dans l'Etape 2, le flux d'air direct (20a) est choisi dans le groupe consistant en air, air sec, azote (N2), argon (Ar), hélium (He), hydrogène (H2), oxygène (02) et ammoniac (NH3). 3028849 12 6 - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'Etape 2, le flux d'air inverse (20b) est 5 choisi dans le groupe consistant en air, air sec, azote (N2), argon (Ar), hélium (He), hydrogène (H2), oxygène (02) et ammoniac (NH3). 7 - Procédé de fabrication de plaquettes de 10 graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'Etape 3, une vitesse de flux du flux d'air de cisaillement (24) se situe entre 1 m/s et 200 m/s. 8 - Procédé de fabrication de plaquettes de 15 graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le fait que dans l'Etape 3, l'énergie est au moins supérieure à 0,1 kJ/mole. 9 - Procédé de fabrication de plaquettes de 20 graphène (30) selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'énergie se situe entre 0,1 kJ/mole et 5 kJ/mole. - Procédé de fabrication de plaquettes de graphène (30) selon la revendication 1, caractérisé par le 25 fait que les plaquettes de graphène (30) ont un diamètre entre 5 nm et 1000 pm.