[发明专利]一种金属表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面防腐涂层的处理方法，具体是采用化学气相沉积法在金属表面原位生长石墨烯保护层，然后将金属/石墨烯置于原子层沉积设备的反应腔，进行三氧化二铝钝化颗粒沉积的一种金属表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。

背景技术

金属材料的腐蚀问题是困扰了业界多年的难题，每年因腐蚀造成的经济损失不计其数，有时甚至会对人们的生命安全构成威胁。因此，开发一种有效的防腐方式刻不容缓。当前，人们主要在金属表面覆盖惰性材料保护层来防止其发生腐蚀，但保护层材料大多耐温性差，而且会改变原材料的尺寸和外形，有时甚至会改变原材料的物理性能。特别是，航天事业、微电子行业的发展，对金属腐蚀防护的要求更为严格，因而开发超薄且不影响基体性能的涂层是防腐领域发展的必然趋势。

石墨烯是一种二维单原子层碳材料，由于具有许多特殊的性能，在学术界引起了空前的研究热潮。近期，研究人员发现石墨烯可以作为金属的超薄保护涂层，在既不改变金属的尺寸和形状，又不降低导热性的情况下，保护金属材料不被腐蚀。石墨烯对金属的保护程度和它的晶体结构、层数、缺陷密切相关。高质量、无缺陷的单晶石墨烯能使其对金属的保护性能最大化。然而，通过现有方法很难获得大面积、零缺陷的单晶石墨烯薄膜，石墨烯内部纳米孔、晶界等缺陷的存在严重限制了它对金属耐腐蚀性能的改善。因此，如何对石墨烯的缺陷进行钝化处理，实现金属表面与腐蚀介质的完全隔离，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

为解决金属表面石墨烯保护层耐腐蚀性能差，金属使用寿命短的问题，本发明提供一种金属表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。

具体采取的技术方案如下。

一种金属表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）将金属依次在盐酸、丙酮、乙醇溶液中分别超声清洗10 min，在氮气环境下烘干，去除表面的氧化物和杂质；

（2）将金属置于化学气相沉积设备中，通入高纯氩气10 min，将石英管内的空气排净，然后抽真空至10^-2 Torr，再通入氩气至常压，重复三次，确保石英管内没有残余空气；

（3）保持石英管内氩气气氛为常压的情况下，将石英管内温度升高至一定温度，通入氢气30 min，将金属表面的氧化物进一步还原，然后再调节石英管温度至石墨烯的生长温度，通入甲烷15 min，进行石墨烯的生长；

（4）石墨烯生长结束后，切断碳源，快速降温至室温，取出样品；

（5）将样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行三氧化二铝钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；

设定参数为：沉积温度：100 ℃；沉积气压：1 Torr；反应源：采用三甲基铝和水为前驱体，前驱体温度均为室温；载气：10～50 sccm的高纯氮气；

单循环脉冲、憋气和吹扫时间：首先水脉冲时间为0.1～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s；然后三甲基铝脉冲时间为0.01～0.5 s，憋气时间为5～7 s，吹扫时间为10～15 s，完成一次沉积循环，重复此沉积循环获得不同尺度的三氧化二铝钝化颗粒。

进一步的附件技术方案如下。

所述金属的衬底是铜、镍、铜/镍合金金属或合金。

所述盐酸、丙酮、乙醇溶液的质量分数分别为5～40%、50～60%和65～75%。

所述在氮气环境下烘干的温度是60～80 ℃。

所述将金属表面的氧化物进一步还原的温度是800～1000 ℃。

所述通入甲烷的流量是5～30 sccm。

所述进行石墨烯的生长的时间是5～30 min，石墨烯的生长的温度是850～1050 ℃。

所述高纯氮气的纯度是99.999%以上；所述完成一次沉积循环的周期是50～200。

本发明上述所提供的一种金属表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，与现有技术相比，本方法采用原子层沉积技术在石墨烯表面沉积三氧化二铝，原子层钝化颗粒对悬键特别敏感，会优先沉积在石墨烯的缺陷位置，在石墨烯的孔洞、晶界处形成分散的团簇，而不是连续的薄膜，将石墨烯的缺陷进行钝化，从而实现石墨烯对金属的完全保护。

附图说明

图1是本方法铜/石墨烯样品电化学腐蚀前的光学显微镜照片。

图2是本方法铜/石墨烯样品电化学腐蚀后的光学显微镜照片，腐蚀液为0.1 M NaCl。

图3是本方法缺陷钝化后铜/石墨烯样品电化学腐蚀前的光学显微镜照片。