[发明专利]一种铜基自润滑复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面工程技术领域，更具体地，涉及一种铜基自润滑复合涂层及其制备方法。

背景技术

铜基自润滑复合涂层由于具有良好的导热、导电性能和摩擦学性能，在轴承、电接触材料等领域有广阔的应用前景。复合电镀是指在电镀溶液中加入一种或几种不溶性固态增强体，在金属离子电沉积的同时将不溶性的固态增强体颗粒或纤维均匀牢固地结合到金属镀层中的方法。由于工艺简易、设备投入少和无需高温作业等优势，复合电镀已经成为制备铜基自润滑复合涂层的有效技术之一。将兼具优异力学性能、热性能、电性能和自润滑性能的碳纳米管和石墨烯分散于电镀液中，通过复合电镀技术制备性能优异的金属基复合涂层引起了广大研究人员的兴趣。研究结果表明，这些金属基复合涂层的性质在很大程度上取决于碳纳米管和石墨烯在基体中的均匀分散程度，同时提高碳纳米管和石墨烯在电镀液中的分散性和稳定性是采用复合电镀技术制备碳纳米管、石墨烯增强金属基复合涂层必不可少的关键步骤。专利(US 8,663,446 B2,Mar.4,2014)公开了通过阳离子表面活性剂，如十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和正辛基三甲基溴化铵(OTAB)，提高碳纳米管在电镀液中的分散性。此外，已报道的表面活性剂还包括有十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠和聚丙烯酸。然而，惰性的表面、粒子之间较强的范德华引力以及粒子与镀液中金属离子的相互作用使得碳纳米管和石墨烯在电镀液中的稳定分散问题一直是研究的难点，这就限制了纳米管、石墨烯增强金属基复合涂层性能的提升及其开发应用。

发明内容

本发明的目在于克服现有技术的缺陷，提供一种铜基自润滑复合涂层的制备方法。该方法利用复配表面活性剂的协同作用，有效解决了羧化碳纳米管和/或氧化石墨烯在电镀液中的分散性和稳定性差的问题，同时使羧化碳纳米管和/或氧化石墨烯带有正电荷，它们与铜离子同时被还原，并被均匀、牢固地结合到铜镀层中。

本发明的另一目的在于提供一种上述方法制备的铜基自润滑复合涂层。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种铜基自润滑复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1.把羧化碳纳米管和/或氧化石墨烯超声分散于复合表面活性剂的水溶液中，形成分散液；

S2.将分散液与铜电镀液超声混合，离心处理并取上层液作为复合电镀液；

S3.把基体与对电极置于复合电镀液中，基体与对电极的距离维持在3～6cm，施加脉冲电流，且在整个过程中持续施加超声振动和机械搅拌，在基体表面得到的涂层，即为铜基自润滑复合涂层。

优选地，步骤S1中所述复合表面活性剂为聚丙烯酸和聚二烯丙基二甲基氯化铵，或者聚二烯丙基二甲基氯化铵和聚乙二醇辛基苯基醚。

优选地，步骤S1中所述羧化碳纳米管和/或氧化石墨烯的质量与水的质量比为(0.01～0.5)：100，所述羧化碳纳米管和/或氧化石墨烯的质量与表面活性剂的质量比为1：(0.2～8)。

优选地，步骤S1中所述羧化碳纳米管为多壁碳纳米管，外径为10～30nm，管长为10～30μm，羧基含量为1～1.23wt.％，所述氧化石墨烯的二维尺寸为0.1～5μm，所述氧化石墨烯的厚度为1～20个原子层。

优选地，步骤S1中所述超声的功率为50～80W，所述超声的时间为0.5～1h。

优选地，步骤S2中所述铜电镀液包括CuSO₄、H₂SO₄和水，所述CuSO₄和H₂SO₄的浓度为分别为0.15～0.6mol/L和0.15～0.5mol/L，所述铜电镀液与步骤S1的分散液体积比为1:1。

优选地，步骤S2中所述超声的功率为50～80W，所述超声的时间为0.5～1h；所述离心的速率为1000～1500rpm，所述离心的时间为5～10min。

优选地，步骤S3中所述超声振动的功率为50～80W，机械搅拌的速率为100～400rpm。

优选地，步骤S3中所述基体为不锈钢或黄铜片，所述对电极为铜片。

优选地，步骤S3中所述脉冲电流的参数为：平均电流密度为0.1～1A/dm²，占空比为1％～50％，频率为50～100Hz，电镀时间为20～70min。

一种上述方法制备的铜基自润滑复合涂层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：