[发明专利]一种石墨烯膜、激光在金属表面二次生长石墨烯的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种石墨烯膜、激光在金属表面二次生长石墨烯的方法及其应用，属于耐摩擦耐磨损技术领域。通过在金属材料表面预置厚度为50～100μm的石墨粉层，通过纳秒脉冲激光器辐照石墨粉层，得到一次生长的石墨烯膜，并将富余的碳原子固溶到金属基底；对激光一次生长的石墨烯膜进行人为破坏，出现破损区域，再次采用纳秒脉冲激光器辐照破损区域，得到金属表面二次生长的石墨烯膜。该方法能够提高金属材料的抗摩擦磨损性能，延长金属的使用寿命，降低经济成本，为机械系统部件的升级改造提供理论依据和经验指导，该方法制得的石墨烯膜能够应用于金属耐摩擦耐腐蚀等领域。

技术领域

本发明属于耐摩擦耐磨损技术领域，具体涉及一种石墨烯膜、激光在金属表面二次生长石墨烯的方法及其应用。

背景技术

金属材料被广泛应用于生产生活、交通运输、航空航天、精密仪器设备制造等方方面面，但也极易因与周围环境相互反应(化学反应、电化学反应)以及机械零部件的摩擦磨损(如汽车的轮毂和轴、刹车片和刹车盘之间的磨损)，从而导致金属材料的使用性能下降，减少了机械零部件的使用寿命以及可靠性和安全性，造成大量的经济损失，甚至引起大型设备的损毁和人员伤亡等。目前对于金属的防护处理和研究中，在金属表面增加保护层是最为行之有效的方法，包括有机涂层和牺牲阳极两种保护层，前者会改变金属表面本身的性质，后者又会对人体健康和环境造成不利影响，因此需要开发一种更为合适的金属保护涂层。

在日常生产生活中主要使用的金属材料包括铁基合金、铜合金、钛合金、铝合金等。石墨烯以其超润滑、零摩擦以及优异的机械性能，在金属耐摩擦磨损领域有着广阔的应用前景。而目前所使用的在金属表面生长石墨烯薄膜的方法通常是CVD法，采用这种方法无法方便快捷地实现在任意尺寸金属基底上生长出石墨烯薄膜，而且涉及易燃易爆气体(甲烷、氢气)，液相法缺点是石墨烯与金属之间的结合力不够，无法对金属提供持久的防护。因此亟需开发一种高效的低成本的可在金属表面原位大面积生长石墨烯薄膜以及即使原位生长的石墨烯受到外摩擦磨损的破坏，仍能再次生长出新的石墨烯薄膜的制备方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种石墨烯膜、激光在金属表面二次生长石墨烯的方法及其应用，解决传统方法不能在金属表面生长任意尺寸的石墨烯薄膜、结合力不足，且需要易燃易爆气体辅助的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种激光在金属表面二次生长石墨烯的方法，包括以下步骤：

S1、在金属基底表面预置有石墨粉层，通过纳秒脉冲激光器辐照石墨粉层，得到一次生长的石墨烯膜，并将富余的碳原子固溶到金属基底；其中，所述金属基底为能与碳形成固溶体的金属基底；

S2、对激光一次生长的石墨烯膜进行人为破坏，出现破损区域，再次采用纳秒脉冲激光器辐照破损区域，得到金属表面二次生长的石墨烯膜。

优选地，石墨粉的粒径为10～100μm，石墨粉层的厚度为50～100μm。

优选地，金属基底为Ni、Pt、Pd、Co、Ir、Ru或Re基底。

优选地，纳秒脉冲激光器采用脉冲二氧化碳激光器、脉冲光纤激光器或脉冲半导体激光器。

优选地，辐照在密闭腔体的无氧环境下进行。

进一步优选地，腔体洗气的方式包括抽真空法和通入惰性气体。

优选地，人为破坏的方式包括砂纸摩擦、胶带粘撕或磨抛机磨抛。

优选地，纳秒脉冲激光器的功率为10～30W，激光原位生长石墨烯膜的激光光斑直径为20～80μm，扫描速度为5～50mm/s，脉冲宽度为10～350ns，频率为20～300KHz。

本发明还公开了上述一种激光在金属表面二次生长石墨烯的方法制得的石墨烯膜。