一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法与流程

本发明属于摩擦材料，具体涉及一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法。

背景技术：

1、当今社会由于摩擦、磨损引发的经济损失非常巨大，据统计，如今产生的能源中有近30％由运输车辆消耗，其中，大约三分之一损失在汽车、公共汽车和卡车的许多运动部件的摩擦和磨损中。采用润滑和耐摩擦材料可以减少摩擦损失，每年可以节省大约5亿英镑。

2、清华大学郑泉水等人发现石墨烯类二维层状材料具有“零”摩擦现象，开起了石墨烯在金属抗摩擦领域的应用。wu等人基于marangoni效应制备了大面积石墨烯薄膜，同时将石墨烯薄膜转移至球-盘摩擦副表面，并在宏观尺度下实现了石墨烯相对石墨烯的相对滑动，并获得了最低为0.05的摩擦系数。bao等人将氧化石墨烯添加到润滑油中，使得润滑性能大大提高，摩擦系数降低了54％，磨损率降低了60％。上述工作均体现了石墨烯作为润滑材料的优越性，然而仅以添加剂形式加入原有的润滑油、润滑脂体系中，未能完全发挥石墨烯“超润滑”特性，因此需要开发一种以石墨烯为表面涂层的材料体系，充分发挥石墨烯优越的抗摩擦性能。

3、制备大面积石墨烯薄膜的方法主要为化学气相沉积法(cvd)，即将cu箔或者ni箔放入管式炉中，再通入氩气、氢气和甲烷，通过高温分解甲烷气体分子得到碳源，在基体上沉积从而形成石墨烯；接着将石墨烯覆盖的cu箔压在两个辊之间，并增加一个聚合物薄支撑膜，随后然后通过蚀刻槽去除cu基底，石墨烯从聚合物中释放到柔性衬底上，可以实现大规模生长。另一种生长表面膜层的方法为偏析生长法，即依靠碳原子在金属体相的能量和石墨烯中的能量差异形成偏析的动力，降低温度碳原子就会以单层石墨烯的形式在表面存在，对碳掺杂浓度和温度的控制，或者通过合金法改变偏析能的大小，就可以控制石墨烯的层数。上述两种方法均涉及高温、长时间以及易燃易爆其他排放等问题。而ye等人开发了一种室温下、环境友好、高效的大面积石墨烯生长方法，即采用激光法在镍、45#钢、铜多种金属表面原位制备全覆盖的石墨烯表面膜层，结果表明激光法原位生长的石墨烯具有优异的抗腐蚀性、膜基结合力强特点。然而石墨烯薄膜仅为纳米级厚度，容易在摩擦副的作用下消失殆尽，且消失后不能再生长，无法持久保护金属基底。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明的提出一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，利用激光法制备石墨烯时残留在金属基底中的大量碳源为母材，采用热处理手段，在镍基底形成二次生长的石墨烯，完成镍基表面石墨烯自修复生长。本发明方法简便易操作，可以实现石墨烯的自修生长，为石墨烯在金属防护领域中提供长久稳定的防护提供了一种新的解决思路。

2、本发明具体是通过以下技术方案来实现的，依据本发明提出的一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，具体包括以下步骤：

3、(1)采用连续激光器在预置了石墨层的纯镍板上进行辐照，经过激光辐照，在辐照区域原位生长石墨烯，此石墨烯为一次生长的石墨烯；

4、(2)采用砂纸将上述一次生长的石墨烯去除，模拟石墨烯摩擦受损情况，对表面去除了石墨烯的镍基底进行热处理，经过热处理，在受损的镍基表面形成二次生长的石墨烯，实现镍基金属基体表面石墨烯自修复生长。

5、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其中，步骤(1)中激光辐照的功率为4500-5500w。

6、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(1)中激光辐照的功率为5000w，扫描速度为6mm/s。

7、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(1)中激光辐照的光斑尺寸为10×1mm2，石墨烯生长区域为12×30mm2。

8、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(1)中石墨层的厚度为20μm。

9、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其中，步骤(2)中采用管式石英炉对表面去除了石墨烯的镍基底进行热处理。

10、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(2)中热处理是在700℃下保温5min。

11、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(1)中纯镍板的摩擦系数为0.169，一次生长石墨烯样品的摩擦系数为0.093。

12、前述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，步骤(2)中二次生长的石墨烯样品的摩擦系数为0.056。

13、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

14、(1)本发明提供了一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，采用连续激光辐照预置了石墨层的镍基底，经过辐照在镍基底上形成一次生长的石墨烯，一次生长的石墨烯磨损后，利用激光法制备一次生长石墨烯时残留在金属基底中的大量碳源为母材，采用管式石英炉对表面去除了石墨烯的镍基底进行热处理，在镍基底上形成二次生长的石墨烯，完成镍基表面石墨烯自修复生长。再生长的石墨烯相比于原始镍基底其耐磨性能提高了67％。

15、(2)本发明的方法不仅可以实现石墨烯的自修复生长，且再生长的石墨烯比纯镍及一次生长的石墨烯均具有更低的摩擦系数。生长了石墨烯薄膜的镍基底，随着摩擦时间的延长，其摩擦系数基本保持稳定，对镍基底起到了良好的保护作用，说明石墨烯可以为金属表面提供长期、有效、稳定的耐磨、润滑、保护效果。

16、(3)本发明方法简便易操作，可以实现石墨烯的自修生长，为石墨烯在金属防护领域中提供长久稳定的防护提供了一种新的解决思路。

技术特征：

1.一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于具体包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(1)中激光辐照的功率为4500-5500w。

3.如权利要求1或2所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(1)中激光辐照的功率为5000w，扫描速度为6mm/s。

4.如权利要求1所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(1)中激光辐照的光斑尺寸为10×1mm2，石墨烯生长区域为12×30mm2。

5.如权利要求1所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(1)中石墨层的厚度为20μm。

6.如权利要求1所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(2)中采用管式石英炉对表面去除了石墨烯的镍基底进行热处理。

7.如权利要求1或6所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(2)中的热处理是在700℃下保温5min。

8.如权利要求1所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(1)中纯镍板的摩擦系数为0.169，一次生长石墨烯样品的摩擦系数为0.093。

9.如权利要求1或8所述的镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，其特征在于步骤(2)中二次生长石墨烯样品的摩擦系数为0.056。

技术总结
本发明涉及一种镍基金属基体表面石墨烯自修复生长方法，采用连续激光器在预置了石墨层的纯镍板上进行辐照，经过激光辐照，在辐照区域原位生长石墨烯，此石墨烯为一次生长的石墨烯；采用砂纸将上述一次生长的石墨烯去除，模拟石墨烯摩擦受损情况，对表面去除了石墨烯的镍基底进行热处理，经过热处理，在受损的镍基表面形成二次生长的石墨烯，实现镍基金属基体表面石墨烯自修复生长。本发明利用激光法制备一次生长石墨烯时残留在金属基底中的大量碳源为母材，采用热处理手段，在镍基底形成二次生长的石墨烯，完成镍基表面石墨烯自修复生长。本发明方法简便易操作，为石墨烯在金属防护领域中提供长久稳定的防护提供了一种新的解决思路。

技术研发人员：吕通发,袁晓磊,吕超,牟鑫,鲁继超,于士齐,董彬,王林,王继伟,何永春
受保护的技术使用者：国网内蒙古东部电力有限公司兴安供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13