一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法与流程

本发明涉及真空镀膜及表面工程技术领域，尤其涉及一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法。

背景技术：

石墨烯薄膜具有高硬度、良好的化学惰性以及超滑性能（摩擦系数在10^-3量级上），在机械、航空航天等领域具有广泛的应用前景。

石墨烯薄膜生产方法为化学气相沉积法（cvd）。在cvd等生长环境下，石墨烯通常生长在金属或者半导体的表面。依据基底材质与石墨烯之间的结合强弱，cu、co、ni、pd与石墨烯有较高的结合能，al、au、pd和pt等具有较弱结合能。通常，石墨烯薄膜会选择在弱结合表面，比如cu，这是因为在弱结合表面石墨烯的能带结构没有显著的改变，石墨烯在cu等表面上大面积外延生长，保持较好晶型。而在强结合表面上，石墨烯中的电子轨道与金属表面态耦合明显，石墨烯六角结构发生紊乱、弯曲。

随着国家节能减排政策严苛规定、日益严格环保政策以及机械系统不断提升的高精度、高可靠性和长寿命要求，如何在钢材质表面制备石墨烯薄膜是进一步减小摩擦、降低磨损和延长运动部件的工作寿命核心问题之一。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种方法简单、易于实现的表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，包括以下步骤：

⑴对钢材质进行化学机械抛光，得到表面粗糙度小于1nm的抛光过的钢材质；

⑵将所述抛光过的钢材质装入真空腔中，抽至1.0×10^-3pa后，在氮气纯度大于99.99%、气压为25~40pa、偏压为1000~1300v、占空比为60~80%、频率为40~80khz、轰击时间为2h条件下对其表面进行等离子体渗氮，得到表面形成fenx化合物的表面氮改性钢；所述fenx化合物中氮含量≤10at.%；

⑶将间距为5mm平行放置的两个所述表面氮改性钢分别作为工作电极和对电极同时浸入到氧化石墨烯胶体溶液内，连接直流电源的正负极，采用电泳法沉积即可制得厚度为1μm的石墨烯薄膜。

所述步骤⑴中钢材质是指热处理回火温度大于150℃的不锈钢或轴承钢。

所述步骤⑶中氧化石墨烯胶体溶液是指将纯度为90.0~99.7%的氧化石墨烯粉末按1：10~20的质量体积比分散在超纯水中，经超声波震荡后即得。

所述步骤⑶中电泳法沉积的条件是指电压为20~45v，时间为1h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明通过等离子体渗氮对钢材质表面改性，在钢材质表面形成fenx化合物，提高了与石墨烯薄膜的结合能力，从而实现在钢材质上制备厚度可达1μm的石墨烯薄膜的目的。

2、本发明钢材质表面形成的fenx化合物中氮含量在15at.%以下，以避免过多氮含量导致fenx化合物硬度降低、内应力增加而脱落。

3、采用摩擦磨损试验机对本发明所得的石墨烯薄膜进行性能评价：

该石墨烯薄膜与市售的直径为3mm、平均粗糙度为0.025μm的不锈钢球作为对偶球组成摩擦配伍对，在摩擦条件（滑动振幅为2.5mm，负载为400mn，往复频率为5hz）下摩擦系数为0.01以下。

4、本发明方法简单，易于实现，所制备的石墨烯薄膜在机械运动系统减磨抗磨的环境中具有潜在的应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的表面改性钢材质上石墨烯薄膜raman图。

图2为本发明的表面改性钢材质上石墨烯薄膜摩擦系数图。

具体实施方式

实施例1一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，包括以下步骤：

⑴对热处理回火温度大于150℃的不锈钢进行化学机械抛光，得到表面粗糙度小于1nm的抛光过的不锈钢。

⑵将抛光过的不锈钢装入真空腔中，抽至1.0×10^-3pa后，在氮气纯度大于99.99%、气压为40pa、偏压为1300v、占空比为80%、频率为80khz、轰击时间为2h条件下对其表面进行等离子体渗氮，得到表面形成fenx化合物且表面粗糙度为5nm的表面氮改性钢；fenx化合物中氮含量为10at.%。

⑶将间距为5mm平行放置的两个表面氮改性钢分别作为工作电极和对电极同时浸入到氧化石墨烯胶体溶液内，连接直流电源的正负极，在电压为45v条件下采用电泳法沉积1h，即可制得厚度为1μm的石墨烯薄膜。如图1所示，石墨烯薄膜典型raman谱图包括一个馒头峰（峰位在以上1540cm^-1）和一个d峰（大约在1360±20cm^-1）。

其中：氧化石墨烯胶体溶液是指将纯度为99.7%的氧化石墨烯粉末按1：10的质量体积比（g/ml）分散在超纯水中，经超声波震荡后即得。

如图2所示,采用摩擦磨损试验机对该石墨烯薄膜与市售的直径为3mm、平均粗糙度为0.025μm的不锈钢球作为对偶球组成摩擦配伍对，在摩擦条件（滑动振幅为2.5mm，负载为400mn，往复频率为5hz）下摩擦系数为0.008。

实施例2一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，包括以下步骤：

⑴对热处理回火温度大于150℃的轴承钢进行化学机械抛光，得到表面粗糙度小于1nm的抛光过的轴承钢。

⑵将抛光过的轴承钢装入真空腔中，抽至1.0×10^-3pa后，在氮气纯度大于99.99%、气压为25pa、偏压为1000v、占空比为60%、频率为40khz、轰击时间为2h条件下对其表面进行等离子体渗氮，得到表面形成fenx化合物且表面粗糙度为4.5nm的表面氮改性钢；fenx化合物中氮含量为8at.%。

⑶将间距为5mm平行放置的两个表面氮改性钢分别作为工作电极和对电极同时浸入到氧化石墨烯胶体溶液内，连接直流电源的正负极，在电压为20v条件下采用电泳法沉积1h，即可制得厚度为1μm的石墨烯薄膜。

其中：氧化石墨烯胶体溶液是指将纯度为90.0%的氧化石墨烯粉末按1：20的质量体积比（g/ml）分散在超纯水中，经超声波震荡后即得。

实施例3一种表面改性钢材质上制备石墨烯超滑薄膜的方法，包括以下步骤：

⑴对热处理回火温度大于150℃的不锈钢进行化学机械抛光，得到表面粗糙度小于1nm的抛光过的不锈钢。

⑵将抛光过的不锈钢装入真空腔中，抽至1.0×10^-3pa后，在氮气纯度大于99.99%、气压为30pa、偏压为1200v、占空比为70%、频率为60khz、轰击时间为2h条件下对其表面进行等离子体渗氮，得到表面形成fenx化合物且表面粗糙度为5nm的表面氮改性钢；fenx化合物中氮含量为8.5at.%。

⑶将间距为5mm平行放置的两个表面氮改性钢分别作为工作电极和对电极同时浸入到氧化石墨烯胶体溶液内，连接直流电源的正负极，在电压为35v条件下采用电泳法沉积1h，即可制得厚度为1μm的石墨烯薄膜。

其中：氧化石墨烯胶体溶液是指将纯度为94.5%的氧化石墨烯粉末按1：15的质量体积比（g/ml）分散在超纯水中，经超声波震荡后即得。