一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法
阅读：489发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种原位自修复 石墨 烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，利用高功率连续激光在预置石墨粉末的金属表面辐照得到大面积的 石墨烯 膜，将富余的 碳 源渗入金属基底；在激光原位制备的石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通 过热 处理工艺研究碳 原子 的固相扩散和石墨烯二次生长。本发明通过涂层与金属基底 冶金 结合，膜基结合 力 强； 接触 表面是具有超润滑特性的石墨烯 薄膜 ，可提供自润滑的作用；当石墨烯在长时摩擦条件下发生了破损后，金属基底中的碳源可以源源不断析出表面，为减少摩擦提供更加持久性的保障。，下面是一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法专利的具体信息内容。
1.一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用高功率连续激光在预置石墨粉末的金属表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；
S2、在激光原位制备的石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过热处理工艺研究碳原子的固相扩散和石墨烯二次生长。
2.根据权利要求1所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，高功率连续激光的功率为2000～6000W，波长为900～1080nm。
3.根据权利要求1所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用二氧化碳激光器、光纤激光器或半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中，金属基底为Ni、Pt、Pd、Co、Ir、Os、Ru或Re过渡金属。
5.根据权利要求1所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，人为破坏方式包括砂纸摩擦、胶带粘撕、抛光机磨抛。
6.根据权利要求5所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，砂纸为200～2000#。
7.根据权利要求1所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤S2中，热处理工艺的加热温度为300～1000℃，保温时间为10～180min，在石英管式炉内通入100～500sccm浓度99.99％的氩气或浓度99.99％的氮气。
8.根据权利要求7所述的原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，其特征在于，冷却方式包括快冷、随炉冷和空冷。
一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法
技术领域
背景技术
[0002] 摩擦及其引发的磨损是材料损伤的3大原因之一,它损失了世界上一次能源的1/3，例如，驱动汽车行驶的功率约一半用以克服各种摩擦，包括发动机内、传动部件之间，车体与空气、轮胎与路面间的摩擦。每年与摩擦、磨损有关的损失约占GDP的2％～7％。在冶金、矿山、化工、建材及航空航天等各个工业部门中,许多工件及设备由于磨损而迅速失效,从而造成材料及人力的浪费,给国民经济造成巨大损失,易磨件寿命低已成为发展生产的严重障碍,开发耐磨材料、延长设备使用寿命具有重大的现实意义。机械零部件抗磨损设计最常用的方法是在摩擦表面之间建立一层润滑膜，例如润滑油、润滑脂、润滑粉末等，虽然这些润滑物质可以提高机械零部件的使用寿命，但这些润滑物质也会污染零部件，影响其产品质量，例如食品加工机器上的传动部件若用上述物质，则对所加工的食品有着严重的不良影响。为了弥补润滑膜的不足，需在机械零部件材料本身上进行改性，其中表面涂层技术是最为合适的方法，通过堆焊、喷涂、电镀、气相沉积、离子注入和激光熔覆等各种加工手段，在材料表面制备一层耐磨损、耐腐蚀、耐高温的高性能涂层，从而显著提高机械零部件的使用寿命。
[0003] 对表面耐磨涂层的设计一般要求其具有摩擦系数低、机械强度高、与基底结合力强、化学稳定性好等特点。针对上述要求，在材料设计中，石墨是涂层获得高性能必不可少的重要原料，主要由于其特殊的晶体结构，六方晶系，(0001)晶面族面内原子间具有结合力极强的碳-碳共价键，而[0001]方向上的晶面间的原子则是由较弱的范德华力结合而成层片状。而石墨烯是单层的石墨，有学者研究表明理想状态下石墨烯层片间也存在着极低摩擦现象，同时碳骨架由碳-碳共价键结合而成，因此具有很高的化学稳定性，在耐磨、耐蚀领域具有广阔的应用前景。由此可知，石墨和石墨烯都具有十分优异的润滑特性，作为整体摩擦材料，二者的强度不够，较易损耗，无法提供长时间持续性的保护；作为添加材料，则无法完全定向((0001)面与摩擦方向平行)平铺于接触面，其超低摩擦现象仅发生在(0001)晶面族，其他方向并未能发挥出二者优异的润滑特性。因此，需要设计一种表面全覆盖石墨烯膜(取向性和成膜性均优于石墨，因此本文将致力于多层石墨烯的制备，其润滑效果与石墨相近)，基底具有高强度的复合材料体系，以提高整体材料的机械性能。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，解决了石墨烯厚度薄难以持久为金属基底提供保护作用的问题。
[0005] 本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0007] S1、利用高功率连续激光在预置石墨粉末的金属表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；
[0008] S2、在激光原位制备的石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过热处理工艺研究碳原子的固相扩散和石墨烯二次生长。
[0009] 具体的，步骤S1中，高功率连续激光的功率为2000～6000W，波长为900～1080nm。
[0011] 具体的，步骤S1中，金属基底为Ni、Pt、Pd、Co、Ir、Os、Ru或Re过渡金属。
[0013] 进一步的，砂纸为200～2000#。
[0015] 进一步的，冷却方式包括快冷、随炉冷和空冷。
[0016] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0017] 本发明一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，设计了原位自修复石墨烯/富碳金属基自润滑复合材料体系。该新型复合材料体系充分发挥了石墨烯层片之间超低摩擦系数的优势，并且在激光重熔后可大幅提高材料机械强度的优势，均为金属零部件提供可靠的耐磨保障，尤其在大型机械设备无法拆解修理以及更换零件的情况下，利用上述技术修复摩擦损伤，从而在无需解体的情况下达到在线修复目的，最终实现降低加工成本，增加机械设备寿命的目的，为我国精密仪器行业升级改造提供理论依据和实验基础。
[0018] 进一步的，高功率连续激光可以在短时间内将金属基底加热到自身熔点，形成熔池，是一种高效的热加工手段。
[0020] 进一步的，人为破坏原位生长的石墨烯是为了模拟摩擦过程中出现的破损，金属基底中的碳源在表面膜破损后再次析出表面，形成新的石墨烯。
[0021] 进一步的，热处理工艺旨在模拟高温摩擦情况下，在热的驱动下，促进金属基底中的碳源往破损表面析出，形成新的石墨烯。
[0022] 综上所述，本专利涉及的新型复合材料体系充分发挥了石墨烯层片之间超低摩擦系数的优势，在无需解体的情况下达到在线修复目的，最终实现降低加工成本，增加机械设备寿命的目的。
附图说明
[0024] 图1为透射电镜高分辨像；
[0025] 图2为扫描电镜照片；
[0026] 图3为光学显微镜照片。
具体实施方式
[0027] 本发明提供了一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，采用激光法在金属表面原位生长石墨烯薄膜，同时金属基底内部渗入大量的碳源，当激光制备的石墨烯膜在摩擦过程中发生破损，快速凝固形成的亚稳态过饱和固溶体中的碳源在摩擦产生的热量及亚稳态趋于稳定转变的双重驱动下，析出表面，重新成膜，弥补磨损区域，形成原位自修复的机制。该新型复合材料体系充分发挥了石墨烯层片之间超低摩擦系数的优势，并且在激光重熔后可大幅提高材料机械强度的优势，均为金属零部件提供可靠的耐磨保障。
[0028] 本发明一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0029] S1、利用高功率连续激光在预置石墨粉末的金属表面辐照，得到大面积的石墨烯膜，同时富余的碳源渗入金属基底；
[0030] 其中，金属基为Ni、Pt、Pd、Co、Ir、Os、Ru或Re过渡金属。
[0031] 高功率连续激光为最高功率为2000～6000W的连续激光，其波长为900～1080nm，激光器类型包括二氧化碳激光器、光纤激光器和半导体激光器。
[0032] S2、在激光原位制备的石墨烯膜上进行人为破坏，使其出现破损区域，再通过热处理工艺研究碳原子的固相扩散和石墨烯二次生长。
[0033] 其中，人为破坏方式包括200～2000#砂纸摩擦、胶带粘撕、抛光机磨抛。
[0034] 热处理工艺具体为：加热温度300～1000℃，保温时间10～180min，冷却方式包括快冷、随炉冷和空冷，在石英管式炉内通入100～500sccm浓度99.99％的氩气或浓度99.99％的氮气。
[0035] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036] 实施例1
[0037] 利用半导体激光在Ag上原位生长石墨烯，形成Ag/C重熔层；采用砂纸摩擦的方式将生长出的石墨烯去除，再进行热处理，重熔层中的碳源向表面析出，形成新的石墨烯。
[0038] 制备步骤如下：
[0039] (1)半导体激光原位制备石墨烯
[0040] 利用高功率连续的半导体激光(波长为980nm，最高功率为2000W)辐照在预涂了1mm石墨粉末的Ag表面，其中Ag的尺寸为30×30×5mm3。激光工艺参数为：光斑尺寸φ5mm、功率2000W、扫描速度10mm/s。制备的石墨烯薄膜用扫描电镜、拉曼光谱和透射电镜进行表征，是多层石墨烯，层数约为6～8层，见附图1。
[0041] 由于Ag与C可形成一定固溶度的固溶体，在激光加工过程中，Ag可吸纳高于其最大固溶度的碳量，形成过饱和固溶体，其厚度约为200μm，见附图2。
[0042] (2)石墨烯二次生长
[0043] 利用200#砂纸在上述原位生长的石墨烯薄膜表面摩擦2min，将石墨烯去除，旨在模拟摩擦过程中产生的破损表面。再放入石英管式炉，升温至300℃，保温100min，再迅速拉出高温区，快速冷却至100℃。其表面析出的碳在局部区域形成石墨烯和石墨的混合颗粒，见附图3。
[0044] 实施例2
[0045] 利用二氧化碳激光在Ni上原位生长石墨烯，形成Ni/C重熔层；采用砂纸摩擦的方式将生长出的石墨烯去除，再进行热处理，重熔层中的碳源向表面析出，形成新的石墨烯。
[0046] 制备步骤如下：
[0047] (1)CO2激光原位制备石墨烯
[0048] 利用高功率连续的CO2激光(波长为900nm，最高功率为6000W)辐照在预涂了1mm石3
墨粉末的Ni表面，其中Ni的尺寸为30×30×5mm 。激光工艺参数为：光斑尺寸φ3mm、功率
2000W、扫描速度10mm/s。
墨粉末的Ni表面，其中Ni的尺寸为30×30×5mm 。激光工艺参数为：光斑尺寸φ3mm、功率
2000W、扫描速度10mm/s。
[0049] 由于Ni与C可形成一定固溶度的固溶体，在激光加工过程中，Ni可吸纳高于其最大固溶度的碳量，形成过饱和固溶体，其厚度约为300μm。
[0050] (2)石墨烯二次生长
[0051] 利用2000#砂纸在上述原位生长的石墨烯薄膜表面摩擦2min，将石墨烯去除，旨在模拟摩擦过程中产生的破损表面。再放入石英管式炉，升温至400℃，保温180min，再迅速拉出高温区，快速冷却至100℃，其表面析出的碳在局部区域形成石墨烯和石墨的混合颗粒。
[0052] 实施例3
[0053] 利用方形光斑半导体激光在Ni上原位生长石墨烯，形成Ni/C重熔层；采用胶带粘撕的方式将生长出的石墨烯去除，再进行热处理，重熔层中的碳源向表面析出，形成新的石墨烯。
[0054] 制备步骤如下：
[0055] (1)方形光斑半导体激光原位制备石墨烯
[0056] 利用高功率连续的半导体激光(波长为1080nm，最高功率为4000W)辐照在预涂了1mm石墨粉末的Ni表面，其中Ni的尺寸为30×30×5mm3。激光工艺参数为：光斑尺寸1mm×
15mm、功率6000W、扫描速度10mm/s。
15mm、功率6000W、扫描速度10mm/s。
[0057] 由于Ni与C可形成一定固溶度的固溶体，在激光加工过程中，Ni可吸纳高于其最大固溶度的碳量，形成过饱和固溶体，其厚度约为300μm。
[0058] (2)石墨烯二次生长
[0059] 利用3M胶带在上述原位生长的石墨烯薄膜表面反复粘撕，直至露出金属色泽，将石墨烯完全去除，旨在模拟摩擦过程中产生的破损表面。再放入石英管式炉，升温至1000℃，保温40min，再迅速拉出高温区，快速冷却至500℃，其表面析出的碳在局部区域形成石墨烯和石墨的混合颗粒。
[0060] 实施例4
[0061] 利用方形光斑半导体激光在Co上原位生长石墨烯，形成Co/C重熔层；采用胶带粘撕的方式将生长出的石墨烯去除，再进行热处理，重熔层中的碳源向表面析出，形成新的石墨烯。
[0062] 制备步骤如下：
[0063] (1)方形光斑半导体激光原位制备石墨烯
[0064] 利用高功率连续的半导体激光(波长为900nm，最高功率为6000W)辐照在预涂了1mm石墨粉末的Ni表面，其中Ni的尺寸为30×30×5mm3。
[0065] 激光工艺参数为：光斑尺寸1mm×15mm、功率5000W、扫描速度10mm/s。
[0066] 由于Co与C可形成一定固溶度的固溶体，在激光加工过程中，Co可吸纳高于其最大固溶度的碳量，形成过饱和固溶体，其厚度约为200μm。
[0067] (2)石墨烯二次生长
[0068] 利用磨抛机将上述原位生长的石墨烯薄膜完全去除，旨在模拟摩擦过程中产生的破损表面。再放入石英管式炉，升温至1000℃，保温10min，再迅速拉出高温区，快速冷却至200℃，其表面析出的碳在局部区域形成石墨烯和石墨的混合颗粒。
[0069] 请参阅图1，透射电镜高分辨像：石墨烯层数为8层；请参阅图2，扫描电镜照片：重熔层厚度为200μm；请参阅图3，光学显微镜照片：石墨烯二次生长的形貌。
[0070] 上述四个实施例采用了不同的激光器在不同的金属表面均成功制备出了石墨烯薄膜，并将碳源引入金属基底中，同时采用不同的破坏方式来模拟摩擦过程中的破损，破损程度的不同将对石墨烯的二次生长起到重要作用。在表面石墨烯薄膜破损后，利用不同的热处理工艺促使金属基底中的碳源析出表面，形成新的石墨烯。
[0071] 综上所述，本发明提出的一种原位自修复石墨烯金属基自润滑复合涂层的制备方法具有如下优点：涂层与金属基底冶金结合，膜基结合力强；接触表面是具有超润滑特性的石墨烯薄膜，可提供自润滑的作用；当石墨烯在长时摩擦条件下发生了破损后，金属基底中的碳源可以源源不断析出表面，为减少摩擦提供更加持久性的保障。
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