[发明专利]一种在金刚石表面原位生成减磨石墨烯薄膜的方法与制件

说明书

本发明提供了一种在金刚石表面原位生成减磨石墨烯薄膜的方法与制件，属于石墨烯薄膜制备技术领域。本发明以金刚石为原料，综合利用激光诱导金刚石相变、摩擦剥离法和电化学剥离法，在金刚石的表面原位生成减磨石墨烯薄膜。相对于传统的由石墨烯经沉积或喷涂形成减磨石墨烯薄膜的方法，本发明提供的方法可以直接由碳源原位生成减磨石墨烯薄膜，保证石墨烯均匀、精准地生长在金刚石表面，并使减磨石墨烯薄膜与金刚石表面保持良好的粘附性，确保减磨石墨烯薄膜与金刚石基体具有较高的结合强度。

技术领域

本发明涉及石墨烯薄膜制备技术领域，尤其涉及一种在金刚石表面原位生成减磨石墨烯薄膜的方法与制件。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学以及力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有广阔的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料，特别是在摩擦学领域，石墨烯的二维特性以及高剪切强度，使其具有优异的润滑性和抗磨性，而且其化学稳定性极高，有望成为宏观和微观领域的优良固体润滑剂。

石墨烯制备的方法大致分为“自下而上”法和“自上而下”法。“自下而上”法是以碳化硅或有机小分子为碳源，在一定条件下使碳原子进行重排或连接，从而制得石墨烯。此方法制备的石墨烯片层尺寸往往偏小或较大,尺寸分布不均，产品质量不佳，且成本比较高。例如利用激光高温石墨化合成的石墨烯有很多缺陷，结构上有很多孔洞，高倍电镜上看不是sp²结构，有很多四连环和五连环，此结构不适合用于减磨领域中。“自上而下”法一般是以高纯石墨为原材料，通过剥离的方式减弱石墨层与层之间的范德华力，从而将块状的石墨剥离成为单层或少层的石墨烯。此方法是目前主流的制备石墨烯的生产路线。

采用上述方法制备得到石墨烯后，需要通过沉积、喷涂等方法将石墨烯转移到工具目标表面，而石墨烯作为优异的固体润滑剂，将其沉积或喷涂在工具目标表面时，存在沉积或喷涂不均匀的问题，且石墨烯与工具目标表面的粘附性仍有待提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在金刚石表面原位生成减磨石墨烯薄膜的方法与制件，采用本发明提供的方法可以直接由碳源原位生成减磨石墨烯薄膜，保证石墨烯均匀、精准地生长在金刚石表面，并使减磨石墨烯薄膜与金刚石表面保持良好的粘附性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种在金刚石表面原位生成减磨石墨烯薄膜的方法，包括以下步骤：

在金刚石的表面进行激光辐照处理，在所述金刚石的表面形成石墨层，得到含石墨层制件；所述石墨层包括叠层设置的粉末状石墨层和层状石墨层，且与所述金刚石接触的为层状石墨层；

将所述含石墨层制件进行打磨处理，以去除所述粉末状石墨层和部分层状石墨层，得到打磨制件；

将所述打磨制件进行电化学剥离，在所述金刚石的表面原位生成减磨石墨烯薄膜。

优选地，所述粉末状石墨层的厚度为1000～2000μm；所述层状石墨层的厚度为30～100μm。

优选地，所述激光辐照处理采用的设备为纳秒激光器；

所述激光辐照处理的操作条件包括：波长为1064nm、532nm或355nm，脉冲频率为20kHz，光斑直径为20μm，激光平均功率为4～7W，扫描速度为15～85mm/s，扫描间距为1～4μm。

优选地，所述部分层状石墨层的厚度占所述层状石墨层总厚度的30～70％。

优选地，所述打磨处理采用的设备为磨床；所述磨床上不锈钢轮的外直径为100～120mm，厚度为8mm；

所述打磨处理的操作条件包括：磨床行程进给控制精度为1μm，磨床转速为500～3000r/min。