■北京化工大學機電工程學院/ 謝鵬程
石墨烯模具的製備
石墨烯因其優異的物理性質，自問世以來就引起了學術界和產業界的高度關注。化學氣相沉積（CVD）方法被認為是製備大面積石墨烯的最成功的方法。然而傳統的CVD 方法通常只能在金屬基底上生長石墨烯，並通過轉移到絕緣基底上才能用於石墨烯器件的製備與應用，轉移過程會對石墨烯造成褶皺和損傷，這些缺陷嚴重降低了石墨烯的電學和熱學特性，而且石墨烯薄膜與基體間薄弱的范德華力使其容易剝離，降低其使用效率也限制了其潛在應用。
本文利用液態碳源的化學氣相沉積法（L-CVD），在無金屬催化劑的條件下，在絕緣矽片基底上直接獲得了碳化物鍵合的石墨烯薄膜，首創將該石墨烯薄膜加熱器作為模具嵌件實現快速熱循環注射成型，石墨烯模具如首圖所示。
石墨烯模具的熱響應特性研究
石墨烯模具型腔表面電阻在50Ω 左右，採用可編程低壓直流電源分別以額定電壓120V、160V、200V、240V對石墨烯模具進行通電加熱，測試其快速加熱性能；在石墨烯鍍層分別達到95℃ 、130℃、150℃、180℃時，測試其在空冷條件下的快速冷卻速率石墨烯模具的快速加熱/ 冷卻性能分析如圖２所示，實驗表明，加載的電壓越大，石墨烯模具型腔表面所能達到的最高溫度越高，瞬時最大升溫速率也越大，在2 40V 直流電壓驅動下，能實現平均升溫速率11.6℃ /s，最大瞬時升溫速率16.1℃ /s，並且由於石墨烯鍍層薄膜加熱器的超低熱慣量，其能在25s 內將石墨烯模具從180℃降低到50℃左右，滿足注射成型生產的需要，在使用冷卻水冷卻後，其冷卻速率能夠進一步的加大，縮短成型週期。
石墨烯模具快速熱循環注射成型實驗
注射前模具型腔表面最高溫度設置為：20℃、60℃、110℃、140℃。溫度維持至保壓後期，隨後便進入冷卻階段，通過顯微鏡觀察在不同型腔表面成型的PS樣品中部熔接痕的微觀照片如圖3 所示。通過圖3 可知，當型腔表面溫度為20℃（室溫），PS 製品熔接痕的寬度約為16.4μm；當型腔表面溫度為60℃時，PS 製品熔接痕的寬度約為11.2μm；當型腔表面溫度為100℃，製品表面熔接痕寬度約為5.6μm，當型腔表面溫度為140℃時，熔接痕消失。
這是由於溫度直接影響著熔體黏度和高分子鏈段的熱運動，隨著型腔表面溫度的升高，型腔中熔體黏度減低，分子鏈段熱運動加快並加速材料的鬆弛過程，使熔體仍具有較高溫度和較強活動能力，同時減小熔體與型腔壁接觸時形成的凝結層厚度，增大熔體流動通道截面積，有利於熔體料流前鋒充分熔合，分子鏈能充分擴散和相互纏結，並在垂直於流動方向上進行拉伸流動，一直持續到完全充滿為止，進而減少甚至消除熔接痕尺寸。
石墨烯模具在快速熱循環注射成型中的應用，不僅能消除熔接痕，還能提高製品力學性能，降低內應力，提高型腔複製度等。■
圖１:（a）石墨烯模具在不同加載電壓下的升溫曲線圖（b）石墨烯模具在不同加載電壓下的升溫速率、最大
瞬時升溫速率、最高溫度（c）石墨烯模具在不同型腔表面溫度下的冷卻曲線圖
圖２: 不同型腔表面溫度下PS 製品熔接痕的尺寸
