[发明专利]基于双脉冲电沉积的石墨烯/镍基复合镀层制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面改性技术领域，是提供一种基于双脉冲电沉积的石墨烯/镍基复合镀层制备工艺。

背景技术

在航天航空等高新技术领域，随着人们探索范围的不断扩大，对润滑技术的要求也越来苛刻，航空航天器由于大量的摩擦损失，导致能源损失和系统质量增加，使航空航天输运能力和探索范围受到限制，这要求润滑技术既要满足在极端的环境下工作，又要达到最低摩擦损失、最长使用寿命和结构最小化等要求。在这样的背景下，通过恰当的方法降低摩擦磨损从而达到节能减排的目的显得尤为重要。由于摩擦磨损主要发生在表面，通过在表面制备固体自润滑涂层可以显著降低摩擦磨损。与此同时，先进的润滑技术离不开新材料的开发，最近几年，碳类材料在摩擦领域的应用逐渐受到关注，特别是随着石墨烯的发现，将碳类材料在摩擦学上的应用推上了一个新的高度。

双脉冲电沉积技术是集材料制备与表面改性为一体的材料表面改性技术，制备的镀层与基体能保持很好的冶金结合，耐磨性也较好，但镀层的减摩性能较差。而石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形呈蜂巢晶格的二维薄膜，具有大的比表面积，低的表面能，高的导热性和高的机械强度。同时，石墨烯层间结合是微弱的范德华力，当受到摩擦时容易在摩擦界面转移形成自润滑膜，从而具有很好的自润滑特性。但是，现有技术还无法将石墨烯均匀、稳定地添加到合金碳钢中，石墨烯的润滑作用不能用于提高碳钢合金的摩擦磨损性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高效、简便的基于双脉冲电沉积的石墨烯/镍基复合镀层制备工艺，石墨烯在镀层中分布均匀，从而降低平均晶粒尺寸，提高复合镀层硬度，并取得更好的润滑效果。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于双脉冲电沉积的石墨烯/镍基复合镀层制备工艺，包括以下步骤：

步骤1，将被镀样品进行砂纸打磨和抛光处理，并超声清洗；

步骤2，采用化学还原法或液相等离子法制备石墨烯；

步骤3，将制备的石墨烯添加到镀液中，采用双脉冲电沉积法制备石墨烯/镍基复合镀层。

更进一步地，步骤1所述被镀样品为碳素结构钢，打磨和抛光处理至表面粗糙度为0.04～0.06μm。

更进一步地，步骤2所述化学还原法制备石墨烯，具体如下：

(1)低温阶段：量取体积比为4:1的浓硫酸和磷酸，称取石墨粉，将三者在锥形瓶内混合均匀形成反应溶液，反应溶液中石墨粉的浓度为30～50g/L，然后在冰水浴条件下向反应溶液中缓慢加入高锰酸钾持续反应50min～70min，每升反应溶液中加入200～250g的高锰酸钾；

(2)中温阶段：将水域温度升高至30～40℃，反应溶液进入中温反应，持续20min～40min；

(3)高温阶段：向反应溶液中缓慢加入1～2倍体积的去离子水，将水浴温度升高到90～100℃，反应15min～30mim，得到棕色悬浮液；

(4)在棕色悬浮液中滴加1/15～1/10倍体积的过氧化氢，待悬浮液变为橙黄色，然后用去离子水离心洗涤至中性，得到氧化石墨；

(5)将氧化石墨放入培养皿中冰冻，置于冷冻干燥机中干燥，获得氧化石墨固体；

(6)称取氧化石墨固体，加入去离子水形成0.5～1mg/ml的溶液，使用超声细胞粉碎机进行超声分散2～3h，获得稳定分散的氧化石墨烯分散液；

(7)向氧化石墨烯分散液中滴加氨水调节pH为9～10，然后加入水合肼作为还原剂进行还原反应，得到还原后的石墨烯悬浮液；

(8)采用截留分子量为8000的透析袋将石墨烯悬浮液在去离子水中透析直至中性，然后进行冷冻干燥，获得石墨烯粉末。

更进一步地，步骤2所述液相等离子法制备石墨烯，具体如下：

(1)配置Na₂CO₃溶液置于烧杯中作为电解质；

(2)分别用两根石墨棒作为阳极和阴极，顶端削成锥形，安装在电极夹具上，调节位移台，使阴极和阳极正对，电极顶端间距为1～2mm。

(3)打开冷却系统，设定好冷却温度为5℃，待冷却系统达到设定温度后，打开电源，逐渐升高电压至1000～2000V产生等离子体，打开步进电机，放电过程即开始；

(4)放电结束后，采用截留分子量为8000的透析袋将得到的溶液在去离子水中透析直至中性，然后进行冷冻干燥，获得石墨烯粉末。