[发明专利]钛合金表面稀土改性还原氧化石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛合金表面形成石墨烯复合薄膜的制备方法，尤其涉及一种在钛合金表面形成硅烷-稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜的制备方法，属于薄膜制备领域。

背景技术

钛及钛合金除了具有比较好的比强度、耐腐蚀性、耐高温性、成形性及焊接性外，还具有无磁、抗弹、透声等特性，因此被广泛应用于航空航天、石油化工、生物医学及运动器械等领域。但钛合金的摩擦系数大、耐磨性差，限制了其在工程上的应用范围。由于钛及其合金不良的摩擦性能与其金属固有的特性有关。因此，对钛合金进行表面处理，即在其表面形成耐磨薄膜，成为改善其摩擦学性能的重要途径。

近些年才被发现的二维碳原子晶体石墨烯是单原子厚度的碳原子层，它被认为是富勒烯、碳纳米管、石墨的基本结构单元，具有优良的力学、量子和电学性质。石墨烯的抗拉强度和弹性模量分别为125GPa和1.1TPa，其质量轻，导热性好(～3000W/(m·K))，且比表面积大(2600m²/g)，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。因此采用石墨烯对材料表面进行镀膜将大大提高材料的力学和摩擦学性能。但是石墨烯本身具有极强的稳定性，不易与基体材料结合成稳定的薄膜。因此，先选择含活性基团的氧化石墨烯材料，采用浸润法制备自组装氧化石墨烯复合薄膜，再经过热还原方法消除薄膜表面剩余的活性基团，可以制备具有高强度和耐磨性的还原氧化石墨烯薄膜，其强度和硬度接近于石墨烯，并具有良好的摩擦学性能。但是，氧化石墨烯的溶解性不好，温度稍高时就容易团聚，分散性较差，很难与基底形成大面积均匀的粘结。因此，需通过对氧化石墨烯的表面改性及基底表面组装活性基团等方法，提高氧化石墨烯与基底表面之间的结合效率，增强界面间结合强度，获得摩擦学性能优良的复合薄膜。

目前，通过石墨烯对钛合金表面进行改性，以致提高钛合金表面的耐磨性能方面的技术研究尚未有相关公开报道。因此，对于利用石墨烯来提高钛合金表面耐磨性能方面的工艺，具有良好的理论研究价值和工程应用前景。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种通过稀土改性氧化石墨烯对钛合金表面进行改性的制备方法，从而在钛合金片表面形成改性还原氧化石墨烯薄膜，使得由该方法改性后的钛合金片具有较好的薄膜-基体界面结合力，以及较好的耐磨性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种在钛合金片表面形成稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜的制备方法。具体地，采用在钛合金表面生成硅烷自组装薄膜作为过渡，并在此基础上，利用稀土改性剂对氧化石墨烯进行表面改性。在硅烷自组装薄膜基础上进一步自组装一层稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜，进而获得具有良好摩擦磨损性能的双层复合薄膜。

本发明的具体技术方案中，在钛合金片表面形成稀土改性还原氧化石墨烯薄膜的具体制备方法包括如下步骤：

步骤一、室温下，采用氢氧化钠水溶液对经过表面抛光处理的钛合金片进行浸泡，使钛合金片表面羟基化；取出后清洗干净，烘干。

步骤二、将处理后的钛合金片用蒸馏水清洗，浸入以乙醇为溶剂的硅烷溶液中，在钛合金片表面形成硅烷自组装薄膜；钛合金片取出后清洗干净，烘干。

步骤三、配制稀土改性氧化石墨烯溶液：

室温下，将氧化石墨烯粉末浸入稀土改性剂中浸泡2～6h，过滤、烘干得到氧化石墨烯固体，将其研碎后放入N，N-2-甲基甲酰胺(DMF)和水的混合溶剂中进行超声，得到稳定的稀土改性氧化石墨烯悬浮液。

步骤四、将组装有硅烷薄膜的钛合金片浸入上述稀土改性氧化石墨烯溶液中进行恒温水浴加热，在钛合金片表面形成硅烷-氧化石墨烯复合薄膜；取出后进行清洗、真空加热干燥，得到表面形成稀土改性还原氧化石墨烯复合薄膜的钛合金片。

其中，硅烷溶液的配制方法为：首先，配制有机硅烷体积分数为3～8％的乙醇溶液，常温下静置5至10min，加入与有机硅烷偶联剂同等量体积的水，从而形成硅烷溶液。在本发明方法的具体实施方案中，选用的水优选去离子水。

有机硅烷选自于γ-氨丙基三乙氧基硅烷、(2-巯基丙基)三甲氧基硅烷、2-(3，4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3，4-环氧环己烷基)乙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、1，2-双(三甲氧基硅基)乙烷、1，2-双(三乙氧基硅基)乙烷或其混合物。优选(2-巯基丙基)三甲氧基硅烷、2-(3，4-环氧环己烷基)乙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷。