一种快速制备碳纳米管薄膜的方法与流程

本发明属于表面润滑与防护领域，涉及一种快速制备碳纳米管薄膜的方法，主要用于降低低速运动部件表面的摩擦和磨损。

背景技术：

任何机械零部件在工作的过程中不可避免的会产生摩擦与磨损现象，摩擦造成巨大的能量损耗，而磨损则会使机械设备精度和可靠性降低，因此，控制摩擦，减少磨损对节约能源、提高设备可靠性以及延长机械零部件寿命具有至关重要的意义。

碳纳米管（CNTs）是一种特殊的纳米材料，被认为是由石墨烯面经过一定程度弯曲而成的中空圆柱体，具有较高的强度、模量、韧性，在摩擦副的表面起到很好的“微轴承”的作用，同时具有优异的自润滑性能，能够有效提高抗摩擦磨损性能，是减摩抗磨的理想材料，在摩擦学领域中具有巨大的应用前景。

碳纳米管薄膜在复合材料、场发射材料、燃料电池、固体润滑等方面具有重要作用。然而，如何快速大面积制备碳纳米管薄膜成为其应用的最大阻力；Sun等（Sun Z., Cheng X. Investigation of carbon nanotube-containing film on silicon substrates and its tribological behavior [J]. Applied Surface Science, 2015, 355: 272）通过自组装的方式在Si基底上得到多壁碳纳米管薄膜，随后对其摩擦磨损性能进行研究，其摩擦系数为0.12（载荷500 mN）。但制备过程涉及的前处理过程复杂，周期很长，所用Piranha溶液危险系数高且溶剂对环境有污染。

清华大学专利（CN 200410034108.9）公开了一种碳纳米管薄膜的电泳沉积制备方法，所得的薄膜虽均匀性较好，但是制备过程涉及碳纳米管的修饰、碳纳米管稳定悬浮液的配置，电泳沉积以及后处理，耗时很长（十小时以上），灵活性较差。

浙江大学专利（CN 200810059933.2）公开了一种单臂碳纳米管薄膜的制备方法，即在钼/铁双催化剂、氢气和氩气的混合气体条件下，利用电弧放电得到碳纳米管薄膜。此方法对设备要求高，灵活性差。

到目前为止，碳纳米管薄膜的方法依然存在着灵活性差，设备要求高，耗时长，环境污染等弊端，且都不适合大面积制备。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种快速制备碳纳米管薄膜的方法。

本发明通过机械擦涂碳纳米管粉末（0.4-100 nm）从而形成固体润滑薄膜，基底需预先处理成一定的织构，这种薄膜的优势在于载荷从5-15 N变化时，摩擦系数稳定且随载荷、摩擦配副变化不明显，大体上维持在0.09-0.13（层数不同摩擦系数不同），远低于基底的摩擦系数（0.55左右），磨痕宽度和深度明显减小。本发明前处理简单且不需要后处理，适合大面积快速制备，可用于金属、陶瓷和聚合物等材质表面的耐磨损和降低摩擦系数。

一种快速制备碳纳米管薄膜的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一；对基底表面进行拉丝、织构化或抛光处理；

步骤二：采用丙酮/乙醇超声清洗以除去基底表面的油污，再用N₂吹干；

步骤三：将碳纳米管粉末放置到两块已处理的基底之间，再将其进行单向往复对磨，所得薄膜为黑色，和基底结合紧密，薄膜的厚度由涂覆次数来决定。

所述基底为金属、陶瓷或聚合物。

所述碳纳米管粉末的管径为0.4-100 nm。

所述碳纳米管为单壁或多壁。

所述往复对磨的速度为5 m/min。

对薄膜的摩擦学性能进行测试（载荷5 N-15 N），用钢球、Si₃N₄球或Al₂O₃球作为摩擦配副。结果显示摩擦系数稳定在0.09-0.13，且随载荷、摩擦配副变化波动较小，磨痕宽度和深度明显减小。

本发明制备的碳纳米管薄膜具有优异的摩擦学性能，制备方法简单易行，不受制备面积的限制，有利于工业化应用。

附图说明

图1是本发明制备路线示意图。

图2是擦涂碳纳米管薄膜前后在5-15 N变载荷条件下、Al₂O₃作为摩擦配副时的摩擦系数曲线（图a）和磨损2D轮廓图（图b:不锈钢，图c:碳纳米管/不锈钢）。

具体实施方式

实施例1

步骤一：取201不锈钢块（40 mm×20 mm×1.7 mm），表面进行拉丝处理、粗糙度0.04-0.05R；

步骤二：采用丙酮/乙醇超声清洗（30 min）以除去其表面的油污，再用N₂吹干；

步骤三：将双壁碳纳米管粉末（2-7 nm）放置到两块已处理的201不锈钢块之间，再将其进行单向往复对磨（5 m/min）（图1），所得样品为黑色，和基底结合紧密，薄膜的厚度由涂覆次数来决定；

步骤四：利用MFT-R4000摩擦磨损试验机和三维表面轮廓仪（MicroXAM-3D）分别考察薄膜的摩擦学性能和磨损结果；

薄膜的摩擦学性能进行测试（变载荷5 N-15 N），用Al₂O₃球作为摩擦配副。结果显示摩擦系数稳定在0.10-0.11，且随载荷较小，磨痕宽度和深度明显减小。图2给出了5-15 N变载荷下的摩擦磨损结果。

实施例2

步骤一：取304不锈钢块（40 mm×20 mm×1.7 mm），表面进行拉丝处理、粗糙度0.04-0.05R；

步骤二：采用丙酮/乙醇超声清洗（30 min）以除去其表面的油污，再用N₂吹干；

步骤三：将单壁碳纳米管粉末（0.4-2 nm）放置到两块已处理的304不锈钢块之间，再将其进行单向往复对磨（5 m/min）（图1），所得样品为黑色，和基底结合紧密，薄膜的厚度由涂覆次数来决定；

步骤四：利用MFT-R4000摩擦磨损试验机和三维表面轮廓仪（MicroXAM-3D）分别考察薄膜的摩擦学性能和磨损结果；

薄膜的摩擦学性能进行测试（变载荷5 N-15 N），用Si₃N₄球作为摩擦配副。结果显示摩擦系数稳定在0.11-0.13，且随载荷较小，磨痕宽度和深度明显减小。

实施例3

步骤一：取聚氨酯两块（40 mm×20 mm×1.7 mm）；

步骤二：采用丙酮/乙醇超声清洗（30 min）以除去其表面的油污，再用N₂吹干；

步骤三：将多壁碳纳米管粉末（7-100 nm）放置到两块已处理的聚氨酯块之间，再将其进行单向往复对磨（5 m/min）（图1），所得样品为黑色，和基底结合紧密，薄膜的厚度由涂覆次数来决定；

步骤四：利用MFT-R4000摩擦磨损试验机和三维表面轮廓仪（MicroXAM-3D）分别考察薄膜的摩擦学性能和磨损结果；

薄膜的摩擦学性能进行测试（变载荷5 N-15 N），用GCr15球作为摩擦配副。结果显示摩擦系数稳定在0.09-0.11，磨痕宽度和深度明显减小。

实施例4

步骤一：取抛光的201不锈钢两块（40 mm×20 mm×1.7 mm），表面进行点阵处理，每四个点组成1x1 mm²的正方形；

步骤二：采用丙酮/乙醇超声清洗（30 min）以除去其表面的油污，再用N₂吹干；

步骤三：再在上面镀一层TiN（厚度为50-70 nm）；

步骤四：将多壁碳纳米管粉末（7-100 nm）放置到两块镀了TiN的201不锈钢块之间，再将其进行单向往复对磨（5 m/min）（图1），所得样品为黑色，和基底结合紧密，薄膜的厚度由涂覆次数来决定；

步骤五：利用MFT-R4000摩擦磨损试验机和三维表面轮廓仪（MicroXAM-3D）分别考察薄膜的摩擦学性能和磨损结果；

薄膜的摩擦学性能进行测试（变载荷5 N-15 N），用Al₂O₃球作为摩擦配副。结果显示摩擦系数稳定在0.09-0.11，磨痕宽度和深度明显减小。