[发明专利]一种碳钢复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种碳钢复合材料及其制备方法和用途。本发明利用含有碳原子数为3～20并含有至少一个非碳非氢元素原子，且碳原子和非碳非氢元素的原子数量比为1.5:1～10:1的有机化合物为碳源，以碳钢基体为衬底进行化学气相沉积，得到一种表面均匀连续分布石墨烯膜层的碳钢复合材料，所述材料具有较强的耐腐蚀和疏水能力，能够用作耐腐蚀材料、防冰材料和/或疏水材料。所述化学气相沉积的方法能够有效减少制备工序、降低成本并减少废料排放，提高产品的良品率。同时，所述的化学气相沉积方法对于碳钢基体的形状体积无任何限制，能够满足对碳钢器件表面整体进行石墨烯膜层包覆的技术需求。

技术领域

本发明涉及复合材料领域，尤其涉及一种碳钢复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

碳钢主要指碳的质量分数小于2.5％且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金，也称为普碳钢或碳素钢。碳钢除含碳之外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。由于自身性能和加工条件的限制，传统碳钢材料具有热硬性差和淬透性低等缺点，即当温度大于200℃时，其硬度和耐磨性会急剧下降，并且在水淬时易变形开裂。同时，由于碳的存在，在高盐或者酸碱性环境下，碳钢材料容易发生电化学腐蚀，造成强度下降，降低其使用寿命。

近年来，由于石墨烯材料具有的独特的电学、热学、光学以及机械力学等性能而备受科学界及工业界的关注，将其应用在复合材料制备领域中，利用碳材料本身的惰性和石墨烯材料的高强度特性，能够达到十分显著的耐腐蚀和增强增韧效果。因此，在碳钢材料表面沉积石墨烯膜层不失为一个提高碳钢性能，改善其缺点的有效方法。

目前在碳钢材料表面制备石墨烯膜层的方法主要有两种，即电泳沉积法和化学气相沉积法。电泳沉积法是通过在稳定的悬浮液中利用直流电场的静电作用，使胶体粒子沉积在目标材料表面的一种工艺。化学气相沉积法是利用易分解化合物如金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等在高温下的热分解，产生活性基团进行气相反应，在氢或其他还原介质的高温还原下析出金属、氧化物、碳化物等无机材料并沉积在目标金属表面一种工艺。两种方法各有优劣。电泳沉积法使用领域更广，反应条件不苛刻，对于碳钢材料的选择性好，得到的涂层附着力强。

但是，利用电泳沉积法制备碳钢-石墨烯复合材料也具有诸多缺点，例如，CN105177679B中通过以分散后的石墨烯胶体溶液为电解液，以铂电极为正极，以经过表面处理的碳钢为负极，利用电泳沉积的方法在正负极间施加30～120V/cm的电场，进行电泳沉积，再将沉积有石墨烯涂层的碳钢基体经过真空干燥处理，得到具有石墨烯涂层的碳钢材料。上述方法中使用的石墨烯需要利用浓盐酸进行H⁺掺杂处理，为了形成石墨烯胶体也需要选用特定的有机溶剂作为分散液，所述碳钢基体表面也需要进行表面处理，同时，该方法是将石墨烯纳米片层通过电化学沉积的方法吸附于碳钢基底表面，因此，所制备的沉积层的厚度及均匀性难以保证，并且沉积层与碳钢基底之间的结合力较弱，容易出现剥离现象。而且，上述电泳沉积工艺在实际生产中存在工艺繁琐、制备时间长、易产生有害废水废渣等缺点。

与电泳沉积法相比，由于铁元素与碳元素之间存在很强的相互作用，碳在铁中具有很强的溶解性，在工业中通过化学气相沉积法在钢铁材料表面生长石墨烯一直以来是一个很大的挑战，因为高温下碳的溶解会影响石墨烯在金属基底表面成核，进而生长石墨烯。即使在某些条件下可以生长石墨烯，制备出的样品也是具有大量缺陷的石墨烯或氧化石墨烯小片层，而非高质量的、连续的石墨烯薄膜。同时在化学气相沉积制备石墨烯的过程中，碳元素非常容易扩散至铁中，影响碳钢的含碳量，导致碳钢性能改变。

为了解决上述问题，本领域大都在碳钢表面镀膜后进行石墨烯的沉积，如CN107034498A公开了一种石墨烯钢基合金的制备方法，通过将钢金属基底表面进行清理，并放入酸液中活化，之后在表面电镀镍层和铜层，将电镀后的钢金属基底烘干，在800～1050℃下进行高温化学气相沉积工艺，得到石墨烯钢基合金。所述方法制备的产品石墨烯表面分布较电泳沉积法制备的产品更为均一致密，但是表面电镀步骤工艺复杂、成本较高，同样不适用于大规模生产。