Материал, включающий в себя восстановленный оксид графена, устройство, включающее в себя этот материал, и способ производства этого материала

Материал, включающий в себя восстановленный оксид графена, устройство, включающее в себя этот материал, и способ производства этого материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области материалов на основе оксида графена и к электрическим устройствам, использующим материалы на основе оксида графена.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Во многих электротехнологических приложениях комбинируются материалы с различными электрическими свойствами. Распределение электрического поля внутри и вокруг электрического устройства зависит от электрических свойств материалов, используемых в устройстве, а также от геометрии устройства. В приложениях переменного тока распределение поля в большой степени зависит от диэлектрических проницаемостей материалов устройства, в то время как в приложениях постоянного тока распределение поля в большой степени зависит от удельной электропроводности материала устройства.

Во многих устройствах различные материалы, демонстрирующие очень различные электрические/диэлектрические свойства, находятся в контакте. В таких устройствах эквипотенциальные линии электрического поля имеют тенденцию концентрироваться на границах раздела в направлении областей с низкой диэлектрической проницаемостью или с низкой электропроводностью. Чем больше разность между диэлектрическими проницаемостями/электропроводностью различных материалов, которые находятся в контакте, тем более неравномерным становится распределение поля. Такая концентрация электрического поля увеличивает риск электрического пробоя, и изолирующие свойства материала таким образом ухудшаются.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблема, к которой относится настоящее изобретение, заключается в том, как избежать электрического пробоя в электрических устройствах.

Предлагается материал, который включает в себя восстановленный оксид графена, в котором степень восстановления оксида графена имеет пространственную вариацию, так что материал имеет градиент электропроводности и/или диэлектрической проницаемости.

Один вариант осуществления предлагает электрическое устройство, включающее в себя материал из оксида графена, в котором степень восстановления оксида графена варьируется внутри материала так, чтобы материал имел градиент удельной электропроводности и диэлектрической проницаемости.

При использовании такого материала в электрическом устройстве может быть достигнуто сглаживание электрического поля в устройстве. Кроме того, посредством такого материала также могут быть достигнуты улучшенные условия для рассеяния электрических зарядов на поверхности изолирующего устройства, которое подвергается воздействию сильных электрических полей.

Следовательно, может быть достигнуто снижение риска электрического пробоя.

В одном варианте осуществления электрическое устройство включает в себя элемент, выполненный из упомянутого материала; по меньшей мере второй материал со второй удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью и третий материал с третьей удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью. Вторая удельная электропроводность/диэлектрическая проницаемость является более высокой, чем третья диэлектрическая проницаемость/удельная электропроводность. Элемент, включающий в себя восстановленный оксид графена, расположен так, чтобы служить перемычкой между первым и вторым дополнительными материалами. В этом варианте осуществления этот элемент имеет по меньшей мере две поверхности с различной удельной электропроводностью и/или диэлектрической проницаемостью; и поверхность упомянутого элемента с высокой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью находится в физическом контакте со вторым материалом, а поверхность упомянутого элемента с низкой удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемостью находится в физическом контакте с третьим дополнительным материалом.

С помощью этого варианта осуществления достигается то, что распределение электрического поля между вторым и третьим материалами будет сглажено.

Электрическое устройство может быть, например, кабелем, кабельным приспособлением, таким как кабельная муфта или концевая заделка кабеля; электрическим устройством, включающим в себя распорную деталь; компонентом микроэлектроники; изоляционной втулкой; вращающейся машиной и т.д. В одном варианте осуществления отношение удельной электропроводности первой, с высокой удельной электропроводностью, части материала к удельной электропроводности второй, с низкой удельной электропроводностью, части материала превышает 10². Во многих приложениях это отношение будет значительно более высоким, таким как, например, свыше 10⁵, свыше 10⁸ или больше.

В одном варианте осуществления электрического устройства упомянутый элемент расположен так, чтобы он находился в физическом контакте по меньшей мере с одним вторым элементом устройства, причем материал на поверхности упомянутого первого элемента, который обращен ко второму элементу, имеет удельную электропроводность того же самого или подобного порядка величины, что и удельная электропроводность второго элемента.

Кроме того, предлагается способ производства материала для электрических приложений. Этот способ включает в себя различную обработку различных частей элемента из оксида графена для того, чтобы достичь различной степени восстановления оксида графена внутри элемента, что приводит к получению элемента, имеющего градиент удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости.

В одном варианте осуществления этого способа по меньшей мере одна часть элемента подвергается воздействию первой температуры, а вторая часть элемента подвергается воздействию второй температуры так, чтобы достичь температурного градиента в элементе, причем первая и вторая температуры отличаются, и по меньшей мере одна из первой и второй температур составляет 130°C или выше.

В одном варианте осуществления этого способа по меньшей мере одна часть элемента подвергается воздействию излучения, например ультрафиолетового излучения, лазерного излучения, рентгеновского излучения, импульсного или электроннолучевого излучения.

Элемент из оксида графена, используемый в этом способе, может включать в себя, например, композитный материал, имеющий полимерную матрицу и наполнитель из частиц оксида графена. Альтернативно элемент из оксида графена включает в себя бумагу из оксида графена.

Дополнительные аспекты настоящего изобретения излагаются в следующем подробном описании и в приложенной формуле изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает идеализированную химическую структуру оксида графена (ОГ).

Фиг. 2 показывает результаты изотермических измерений вещественной части удельной электропроводности σ' в зависимости от частоты f для элемента, который был подвергнут отжигу при различных температурах, что приводит к различным степеням восстановления.

Фиг. 3 представляет собой альтернативную иллюстрацию результатов измерения, показанных на Фиг. 2, где σ' изображена как функция температуры отжига при фиксированной частоте, равной 1 Гц.

Фиг. 4 показывает, как приведенная диэлектрическая проницаемость элемента из оксида графена варьируется в зависимости от температуры отжига при фиксированной частоте, равной 1 Гц.

Фиг. 5 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления материала с σε-градиентом в форме композитного материала из полимерной матрицы с частицами наполнителя из оксида графена.

Фиг. 6a иллюстрирует один вариант осуществления способа производства материала с σε-градиентом путем отжига различных частей элемента из оксида графена при различных температурах.

Фиг. 6b иллюстрирует один вариант осуществления способа производства материала с σε-градиентом путем облучения элемента из оксида графена.

Фиг. 7a показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии одного варианта осуществления кабельной муфты.

Фиг. 7b показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии другого варианта осуществления кабельной муфты.

Фиг. 7c показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии одного варианта осуществления концевой заделки кабеля.

Фиг. 7d показывает схематическое поперечное сечение вдоль осевой линии другого варианта осуществления концевой заделки кабеля.

Фиг. 8 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления силового кабеля, который включает в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом в форме промежуточного слоя.

Фиг. 9 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления изоляционной втулки, включающей в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.

Фиг. 10 представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления микроэлектронного устройства, включающего в себя промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.

Фиг. 11a представляет собой схематическую иллюстрацию одного варианта осуществления газоизолированного распределительного устройства, включающего в себя изолирующую распорную деталь.

Фиг. 11b представляет собой поперечное сечение одного варианта осуществления изолирующей распорной детали, имеющей промежуточный элемент из материала с σε-градиентом.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

Оксид графена (ОГ) является слоистым углеродным графитом из одного или нескольких слоев, с многочисленными функциональными группами, такими как эпокси-, гидроксильные и карбоксильные функциональные группы. Идеализированная химическая структура ОГ показана на Фиг. 1.

Оксид графена в последние годы привлекает к себе большой интерес, так как этот материал является промежуточным продуктом при производстве графена из графита. В идеальном графене, плоской версии углерода с толщиной в один атом, sp²-гибридизированные атомы углерода располагаются в решетке типа пчелиных сот, обладающей высокой удельной электропроводностью. В противоположность этому, многочисленные функциональные группы в ОГ частично разрушают sp²-гибридизацию в решетке, с ОГ, включающим в себя частично тетраэдрически координированные sp³ атомы углерода. ОГ поэтому является изолятором, и свежесинтезированные пленки оксида графена как правило, обладают сопротивлением листа при комнатной температуре порядка 10¹² Ом/квадрат или выше.

Существуют различные пути восстановления ОГ для увеличения его химического сродства с графеном. Обзор различных способов восстановления оксида графена приведен в публикации «The reduction of graphene oxide» by Pei, N. and Cheng, H-M. in Carbon 2012; 50:3210-3228. Хотя ОГ еще не был полностью восстановлен для получения совершенного графена, удельная электропроводность восстановленного оксида графена, вОГ, является значительно более высокой, чем удельная электропроводность свежесинтезированного оксида графена. Был получен восстановленный ОГ, имеющий удельную электропроводность порядка 10³ См/см, в то время как удельная электропроводность свежесинтезированного материала из оксида графена может быть ниже чем 10^-12 См/см. В зависимости от способа и условий достигаются разные уровни восстановления электронной структуры углеродной решетки графена, что приводит к широкому диапазону величин удельной электропроводности различных образцов восстановленного оксида графена.

Термическое восстановление является одним путей восстановления оксида графена, и может быть выполнено, например, как термический отжиг. Другие способы включают в себя облучение, например, с помощью лазерного, ультрафиолетового, рентгеновского, импульсного или электроннолучевого излучения, где импульсное облучение включает в себя облучение материала видимым светом высокой интенсивности, например от вспышки камеры.

Измерения показывают, что в зависимости от условий восстановления получается различная степень восстановления. Следовательно, путем варьирования условий, при которых выполняется восстановление, удельная электропроводность восстановленного оксида графена может варьироваться, причем варьирование происходит благодаря переменной концентрации восстановленного оксида графена.

В дальнейшем материал, включающий в себя оксид графена, будет упоминаться как материал из оксида графена.

На Фиг. 2 вещественная часть σ’ удельной электропроводности при переменном токе элемента из материала из оксида графена, который был отожжен при увеличивающихся температурах, графически нанесена как функция частоты f. Спектры удельной электропроводности в зависимости от частоты были получены при 17 различных температурах от 30°C до 190°C, с шагом 10°C. Измерения выполнялись изотермически.

Фиг. 3 представляет собой альтернативную иллюстрацию результатов измерения, показанных на Фиг. 3, где значение σ' при частоте 1 Гц графически нанесено как функция температуры отжига. При каждой температуре были проведены два последовательных измерения, проиллюстрированные черными и белыми квадратиками, соответственно.

Вещественная часть σ' удельной электропроводности при переменном токе приближается к удельной электропроводности при постоянном токе σ_dc элемента по мере того, как частота приближается к нулю. Оценка σ_dc для каждой температуры может быть взята из значения плато удельной электропроводности. Для температур ниже 130°C не видны никакие плато удельной электропроводности, и удельная электропроводность только умеренно увеличивается с увеличением температуры.

Как можно заметить на Фиг. 2 и Фиг. 3, удельная электропроводность непрерывно увеличивается с ростом температуры отжига. Более выраженное увеличение с увеличением температуры получается для температур от около 130°C и выше. Как будет обсуждено ниже, это также первая температура, где плато удельной электропроводности при постоянном токе могут быть видны на низких частотах, а также первая температура, где наблюдается увеличение между первым и вторым последовательными сканированиями частоты (см. Фиг. 3). Таким образом, начало термического восстановления элемента из оксида графена, похоже, происходит около 130°C. На Фиг. 2 кривая, представляющая температуру отжига, равную 130°C, обозначается стрелкой. Чем выше температура, тем большая часть оксида графена будет восстановлена, и тем выше будет удельная электропроводность. При температурах ниже 130°C слабое увеличение удельной электропроводности вызывается главным образом температурной зависимостью удельной электропроводностью материала, то есть увеличивающимся числом носителей в зоне проводимости с увеличением температуры, а не химической реакцией в материале.

Отношение удельной электропроводности при постоянном токе, полученной при температуре 190°C, к удельнойэлектропроводности при постоянном токе, полученной при температуре

130°C, составляет более десяти порядков величины: σ_dc(190°C) составляет около 2*10^-3 См/см, в то время как σ_dc(130°C) имеет порядок 10^-13 См/см.

Как было упомянуто выше, разность появляется между двумя последовательными сканированиями, изображенными на Фиг. 3, при температурах 130°C и выше. Эта разность указывает, как и ожидалось, что количество восстановленного оксида графена в элементе при конкретной температуре меняется со временем - отжиг продолжается в то время, когда проводятся измерения. Продолжающийся процесс отжига может также быть замечен в небольшом увеличении σ' с уменьшением частоты при температурах, где процесс отжига начался в масштабах времени наблюдения. Изотермические сканирования выполнялись от высоких до низких частот. Разности между последовательными измерениями наблюдались при низкочастотных измерениях, где требовалось более длительное время, и таким образом процесс отжига прогрессировал между получением результатов двух последовательных измерений.

Повторное измерение удельной электропроводности элемента сразу после того, как элемент возвратился к комнатной температуре, показало, что процесс восстановления был необратимым: Было найдено, что удельная электропроводность при комнатной температуре была почти равна значению при высокой температуре, только немного ниже, что должно было ожидаться, принимая во внимание большее возбуждение носителей в зоне проводимости при более высоких температурах.

Диэлектрическая проницаемость ε' материала показывает соответствующее увеличение с увеличением температуры отжига. Измерения диэлектрической проницаемости как функции температуры при частоте 1 Гц проиллюстрированы на Фиг. 4. На Фиг. 4 приведенная диэлектрическая проницаемость ε_N графически нанесена как функция от температуры при частоте 1 Гц, где ε_N определяется как ε'(T)/ε'(30°C). Как можно заметить на Фиг. 4, диэлектрическая проницаемость показывает значительное увеличение с температурой при температурах около 130°C и выше. На Фиг. 4 показаны результаты измерения в температурном диапазоне 20°C-170°C, а более высокие температуры были опущены по причинам разрешения. Однако резкое увеличение продолжается для более высоких температур. Например, измеренная приведенная диэлектрическая проницаемость при температуре 180°C, ε_N(180°C), составила около 9000.

В соответствии с настоящим изобретением вариации удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости, проистекающие из различных способов восстановления оксида графена, могут использоваться для того, чтобы произвести материал из оксида графена, который обладает градиентом удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости: За счет варьирования уровня восстановления в материале удельная электропроводность и/или диэлектрическая проницаемость в материале варьируется, и, следовательно, достигается градиент диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности. Материал из оксида графена с варьируемой степенью восстановления будет здесь упоминаться как материал с σε-градиентом, а градиент удельной электропроводности и/или диэлектрической проницаемости будет упоминаться как градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости. Увеличение восстановления оксида графена, которое вызывает увеличение удельной электропроводности, зачастую будет также вызывать увеличение диэлектрической проницаемости, и наоборот.

Градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости может быть полезным, например, в управлении электрическим полем в электрических устройствах. Например, материал с σε-градиентом может использоваться для того, чтобы обеспечить плавный переход от сильного электрического поля к слабому электрическому полю в некотором электрическом устройстве, например в кабельной изоляции, кабельной муфте, концевой заделке кабеля, изоляционной втулке, микроэлектронном устройстве и т.д.

Кроме того, материал с σε-градиентом также может быть полезным на поверхности электрически изолирующих устройств для использования в сильных электрических полях, таких как электрически изолирующие распорные детали. Путем использования материала с σε-градиентом на поверхности рассеяние любых накопленных электрических зарядов может быть достигнуто без границы раздела.

Следовательно, материал с σε-градиентом будет выгодным во многих различных электрических устройствах, например, в устройствах, в которых напряжение подается через два материала со значительно различной удельной электропроводностью/диэлектрической проницаемости: Материал с σε-градиентом может быть полезным в соединении между первым дополнительным материалом и вторым дополнительным материалом с различными электрическими свойствами, где первая поверхность материала с σε-градиентом находится в контакте с первым дополнительным материалом, а вторая поверхность материала с σε-градиентом находится в контакте со вторым дополнительным материалом. Материал с σε-градиентом может быть, например, включен между двумя материалами таким образом, чтобы электрическое свойство первой поверхности материала с σε-градиентом имело порядок величины, аналогичный порядку соответствующего электрического свойства первого дополнительного материала, который находится в контакте с первой поверхностью, в то время как соответствующее электрическое свойство второй поверхности материала с σε-градиентом имеет порядок величины, аналогичный порядку соответствующего электрического свойства второго дополнительного материала, который находится в контакте со второй поверхностью.

Элемент из материала с σε-градиентом, который используется в электрическом устройстве, будет упоминаться как промежуточный элемент, так как элемент такого материала может способствовать плавному переходу между областью сильного поля и областью слабого поля. Следовательно, промежуточный элемент является частью электрического устройства, которая выполнена материала из оксида графена с изменяющейся степенью восстановления. Такой промежуточный элемент может быть, например, с выгодой расположен между двумя или более твердыми материалами с различными электрическими свойствами; или между твердым материалом и текучей средой, где твердый материал и текучая среда имеют различные электрические свойства.

Материал из оксида графена с варьируемой степенью восстановления оксида графена может быть получен, например, путем отжига материала из оксида графена при температурном градиенте, и/или путем облучения материала из оксида графена.

Материал из оксида графена, используемый в качестве сырья в производстве материала с σε-градиентом, может быть, например, композитным материалом, включающим в себя полимерную матрицу с частицами наполнителя из оксида графена. В одной реализации в качестве композитной матрицы используется термореактивный полимер, который отверждается при температуре ниже температуры восстановления оксида графена. Температура восстановления оксида графена, как видно из представленных выше результатов измерения, как правило, составляет около 130°C. Примеры таких матриц из термореактивного полимера включают в себя эпоксидную смолу, полиуретан (PU) и поперечносшитый полиэтилен (XLPE). За счет использования термореактивного матричного материала, который отверждается при температуре ниже температуры восстановления оксида графена, устраняется риск восстановления частиц наполнителя из оксида графена во время процесса отверждения.

В другой реализации в качестве композитной матрицы используется эластомер, такой как силиконовая резина или этиленпропилендиеновая (EPDM) резина. В еще одной реализации в качестве композитной матрицы используется термопластический полимер. Примеры термопластических полимеров, которые могут использоваться в качестве композитной матрицы, включают в себя полиэтилен низкой или высокой плотности (LDPE или HDPE), полиэтилентерефталат (PET), полибутилентерефталат (PBT), полиэфирсульфон (PES), полисульфон (PSU), полифенилэфир (PPE), полифениленсульфид (PPS), полиэфиримид (PEI), и т.д. При производстве композитного материала с термопластической матрицей путем смешивания частиц наполнителя из оксида графена с материалом матрицы в расплавленной форме, процесс смешивания предпочтительно должен быть быстрым, если температура плавления матрицы находится выше 130°C, чтобы минимизировать восстановление частиц наполнителя из оксида графена. Охлаждение композитного материала может быть выполнено в соответствии с пространственным профилем охлаждения, который формирует желаемый σε-градиент.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения, в котором композитный материал из оксида графена используется в качестве начальной точки, концентрация частиц наполнителя из оксида графена в матрице полимера является однородной. Зачастую концентрация частиц наполнителя из оксида графена является такой, что достигается или превышается порог перколяции. Концентрация частиц наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне 0,1-50 объемных %. В одной реализации эта концентрация находится в диапазоне 1-10 объемных %.

В другой реализации композитного материала из оксида графена концентрация частиц наполнителя из оксида графена варьируется внутри композитного материала.

Частицы наполнителя из оксида графена могут, например, находиться в форме порошка. Частица наполнителя из оксида графена, как правило, имеет форму чешуйки, где чешуйка обычно включает в себя стопку из одного или более одиночных слоев оксида графена. Ширина чешуйчатой частицы наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне от 0,05 мкм-1 см, а толщина чешуйчатой частицы наполнителя из оксида графена может, например, находиться в диапазоне от 0,4 нм до 10 мкм. Альтернативно могут использоваться частицы наполнителя других размеров. Изготовление таких частиц является хорошо известным, и может быть выполнено, например, с помощью способа Хаммера; или с помощью модифицированного способа Хаммера; или любым другим подходящим способом. В способе Хаммера окисление графита до оксида графита достигается путем обработки графита безводной смесью концентрированной серной кислоты, нитрата натрия и перманганата калия. Для более полного описания способа Хаммера см., например публикацию «The chemistry of graphene oxide» by D. R. Dreyer, S. Park, C. W. Bielawski and R. S. Ruoff, Chem. Soc. Rev., 2010, 39, 228–240.

Пример композитного материала 500 из оксида графена схематично проиллюстрирован на Фиг. 5. Полимерная матрица 505 включает в себя частицы 510 наполнителя из оксида графена. Композитный материал из оксида графена на основе полимера может быть выполнен в виде большого куска или в виде тонкой пленки. Композитный материал из оксида графена, показанный на Фиг. 5, имеет толщину d.

Некоторые примеры способов производства композитного материала 500 из оксида графена могут быть найдены в публикации D. R. Bortz, E. G. Heras, and I. M. Gullon, «Impressive Fatigue Life and Fracture Toughness Improvements in Graphene Oxide/Epoxy Composites», Macromolecules 2012, 45, 238–245, dx.doi.org/10,1021/ma201563k; а также в публикации M. Moazzami Gudarzi and F. Sharif, «Enhancement of dispersion and bonding of graphene-polymer through wet transfer of functionalized graphene oxide», eXPRESS Polymer Letters Vol.6, No.12 (2012) 1017–1031. Альтернативно могут использоваться другие способы производства композитного материала из оксида графена.

В другом варианте осуществления материал из оксида графена, используемый в качестве исходного для производства материала с σε-градиентом, получается из бумаги из оксида графена. Бумага из оксида графена является коммерчески доступной и может быть произведена, например, из оксида графита, полученного по способу Хаммера, с последующей фильтрацией полученной коллоидной суспензии через мембранный фильтр и сушкой. Толщина бумаги из оксида графена часто находится в диапазоне 10-100 мкм, хотя также может использоваться бумага другой толщины.

Бумага из оксида графена может быть полезной, например, в качестве сырья для материала с σε-градиентом в тех приложениях, где требуется только тонкий слой материала из оксида графена. Бумага из оксида графена может также использоваться в таких приложениях, где требуются более толстые листы или большие части материала с σε-градиентом, и/или где были бы полезны большие области материала с σε-градиентом: Несколько листов бумаги из оксида графена могут быть тогда уложены в стопку и склеены вместе для того, чтобы увеличить толщину материала, например, посредством адгезива, такого как эпоксидная смола. Кроме того, адгезив, такой как эпоксидная смола, может использоваться для того, чтобы соединить лист бумаги из оксида графена со смежными листами бумаги из оксида графена с тем, чтобы получить лист бумаги из оксида графена большей области.

Материал из оксида графена, используемый в качестве сырья для производства материала с σε-градиентом, также может быть получен из графеновой бумаги или отдельного слоя графена, который окисляется для того, чтобы получить бумагу из оксида графена или отдельный слой оксида графена. При желании два или более листов оксида графена, полученных таким образом, можно соединить посредством адгезива, такого как эпоксидная смола, чтобы получить элемент из оксида графена с более высокой толщиной и/или большей площадью.

Свежесинтезированный оксид графена, использованный в эксперименте, проиллюстрированном на Фиг. 2-4, представлял собой коммерчески доступную бумагу из оксида графена, произведенную с использованием описанного выше способа Хаммера.

Далее будут обсуждены различные способы получения элемента из материала с σε-градиентом из оксида графена. Термин «элемент» используется для ссылки на любую деталь из материала, например, большой слой для кабельной изоляции, большой кусок материала, тонкую пленку и т.д.

Как было упомянуто выше, материал с σε-градиентом может быть получен путем восстановления оксида графена в элементе из оксида графена до различной степени. Та часть элемента из оксида графена, в которой восстановлен более высокий процент оксида графена, будет таким образом иметь более высокую удельную электропроводность, и наоборот. Различные степени восстановления внутри одного и того же элемента из оксида графена могут быть достигнуты, например, с помощью облучения, и/или путем применения различных температур к различным частям элемента, где температура по меньшей мере одной части элемента превышает 130°C.

Отжиг материала из оксида графена с температурным градиентом может быть выполнен, например, путем сохранения одной части элемента из оксида графена при первой температуре, а второй части элемента при второй температуре, где первая и вторая температуры различаются, и по меньшей мере одна из них превышает температуру начала восстановления, которая обычно составляет около 130°C. Дополнительные части элемента при желании могут выдерживаться при другой температуре.

Отжиг элемента из оксида графена при температурным градиенте приведет к материалу с σε-градиентом, в котором удельная электропроводность σ и диэлектрическая проницаемость ε увеличиваются от одной части элемента к другой. Самая высокая удельная электропроводность σ_H и самая высокая диэлектрическая проницаемость ε_H будут получены в той части элемента, которая отжигается при самой высокой температуре T_high и наоборот. Таким образом, различные температуры могут быть выбраны в зависимости от желаемого диапазона удельной электропроводности материала с σε-градиентом. Пример таблицы, которая может использоваться при выборе температуры отжига в производстве материала с σε-градиентом, показан ниже в Таблице 1. Числа, приведенные в Таблице 1, полученные из измерений, проиллюстрированных на Фиг. 2-4, иллюстрируют обширный разброс удельной электропроводности, которая может быть получена внутри одного и того же элемента. Однако эти числа являются приблизительными в том смысле, что степень восстановления при конкретной температуре также зависит от продолжительности времени выдержки элемента при конкретной температуре, и поэтому более высокая или более низкая удельная электропроводность может быть получена при конкретной температуре отжига в зависимости от времени отжига. Однако измерения показывают, что различные компоненты материала из оксида графена будут восстанавливаться при различных температурах, так что максимальное восстановление будет получено при каждой температуре, независимо от времени отжига.

Таблица 1 Вещественная часть удельной электропроводности при переменном токе при частоте 1 Гц, полученная путем отжига при различных температурах
σ’ при частоте 1 Гц (См/см)	Температура отжига T (°C)
2*10-13	130
6*10-13	140
5*10-12	150
4*10-10	160
9*10-8	170
8*10-5	180
2*10-3	190

После восстановления до подходящего σε-градиента рабочая температура промежуточного элемента электрического устройства может быть, например, ниже 130°C для того, чтобы минимизировать дальнейшее восстановление материала из оксида графена. Однако, в зависимости от применения, также могут использоваться более высокие рабочие температуры.

Фиг. 6a иллюстрирует, как элемент 600 из оксида графена отжигается путем сохранения первой поверхности элемента 600 при высокой температуре T_high, при одновременном сохранении второй поверхности элемента 600 при низкой температуре T_low.

Если желаемым является элемент, в котором градиент удельной электропроводности присутствует только в частях элемента, одна поверхность элемента может быть, например, сохранена при температуре значительно ниже температуры начала восстановления, равной 130°C. Кроме того, более чем две различных температуры могут быть применены к элементу из оксида графена при желании, чтобы получить более сложный градиент удельной электропроводности/диэлектрической проницаемости.

Время отжига может, например, находиться в диапазоне 1 мин- 24 час или более. В одном варианте осуществления процесса получения материала с σε-градиентом из материала из оксида графена время отжига находится в диапазоне 1-120 мин, в зависимости от того, когда будет достигнут желаемый температурный градиент. При отжиге элементов из оксида графена, для которых удельная теплопроводность является низкой, таких как некоторые полимерные композитные материалы 500, или при отжиге больших элементов из материалов из оксида графена, времена отжига будут более длинными для того, чтобы позволить температуре в элементе достичь желаемого температурного градиента.

Облучение материала из оксида графена энергетическим излучением, таким как лазерный свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи, вспышка или электронный луч, является другим путем получения вариации в степени восстановления материала из оксида графена и тем самым градиента удельной электропроводности. Фиг. 6b иллюстрирует один способ производства материала с σε-градиентом путем облучения части элемента 600 из оксида графена.

Облучение материала из оксида графена, похоже, вызывает восстановление материала из оксида графена посредством различных механизмов: Облучение заставляет материал из оксида графена нагреваться, способствуя, таким образом, термическому отжигу материала. Облучение поверхности элемента, таким образом, создает температурный градиент в элементе. Получаемая температура поверхности, как правило, увеличивается с увеличением интенсивности и времени облучения, а также с увеличением частоты излучения. Кроме того, излучение может проникать через элемент и взаимодействовать с химической структурой материала из оксида графена, и/или увеличивать температуру внутри элемента.

В одном варианте осуществления восстановления оксида графена лазерным излучением используется Nd:YAG лазер в импульсном режиме. Параметры импульсного Nd:YAG лазерного излучения могут, например, находиться внутри следующих диапазонов:

Средняя мощность: 0,1-10 Вт, например, 1-5 Вт;

Размер луча: 1-20 мм, например, 5-10 мм;

Скорость сканирования: 100-300 мм/мин, например, 150-250 мм/мин;

Продолжительность импульса: 1-5 мс, например, 2-3 мс;

Частота импульсов: 1-50 Гц, например, 10-20 Гц;

Альтернативно для восстановления оксида графена может использоваться Nd:YAG лазер в непрерывном режиме. Параметры непрерывного Nd:YAG лазерного излучения могут, например, находиться внутри следующих диапазонов:

Средняя мощность: 0,1-10 Вт, например, 0,5-3 Вт;

Размер луча: 0,1-10 мм, например, 0,5-4 мм;

Скорость сканирования: 100-300 мм/мин, например, 150-250 мм/мин;

Nd:YAG лазерное облучение приведено только как пример, и могут использоваться другие типы лазеров, например, Kr лазеры; KrF эксимерные лазеры; Yb:YAG лазеры; лазеры на InGaAsP; лазеры на моноксиде углерода; лазеры на диоксиде углерода, пикосекундные лазеры и т.д. Фактичес