一种石墨复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及石墨材料，具体涉及石墨材料的表面修饰技术，更具体而言，涉及一种石墨复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、石墨材料具有优良的导电、耐高温、导热及自润滑性能，具有较小的热膨胀系数，抗热冲击性能优良，且石墨材料易于机械加工。因此，在机械、电子、半导体、冶金、生物工程等领域获得广泛应用，已成为一种不可缺少的特殊工程材料；然而石墨材料的高温抗氧化能力差，在高温、氧气环境下会发生氧化腐蚀，进而造成构件逐步损坏；另外，石墨材料特殊的层状sp2结构，导致其表面柔软不耐磨损，轻微擦碰即可使得石墨表层掉落；在一定程度上限制了石墨材料应用领域的扩大。

2、为了克服上述问题，行业内通常采用的方法是，利用表面镀膜技术在石墨材料表面制备合适的抗氧化薄膜以保护石墨材料，防止石墨材料在高温有氧环境下与氧气发生氧化反应而造成基体的损耗，同时还可以防止因人为接触操作而造成表面石墨粉的脱落。

3、但是，由于石墨材料的特殊的层状sp2结构和其低热膨胀系数的特性，导致目前常用磁控溅射制备的高温抗氧化涂层(例如，nbc涂层、zrc涂层、cnsicr涂层、sic/sio2涂层、cr2c3涂层、tialn涂层)，并不能在高温有氧环境下很好的附着在石墨材料的表面，进而影响涂层的抗氧化性能。

4、鉴于以上缺陷，有必要开发一种新型的石墨复合材料及其制备方法，以克服上述缺陷。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种石墨复合材料及其制备方法，所述石墨材料包括石墨基体和抗氧化层，所述抗氧化层在高温有氧环境下可稳定附着在所述石墨基体的表面，从而在高温有氧气环境下所述抗氧化层不会发生脱落，如此有利于提高石墨材料在高温有氧环境下的抗氧化能力的稳定性和可靠性，可大幅拓宽石墨材料的应用领域。

2、为解决上述技术问题，发明所采用的技术方案是提供一种石墨复合材料包括石墨基体、附着于所述石墨基体表面的平坦层、以及附着于所述过渡层表面的抗氧化层。通过在石墨基体的表面依次附着平坦层和抗氧化层，由于所述平坦层的存在，使得即使在高温条件下所述抗氧化层也可以通过所述平坦层强力稳定的与所述石墨基体结合，从而使得所述石墨复合材料在高温有氧环境下具有良好且稳定的抗氧化能力，进而使得所述石墨复合材料可广泛应用于机械、电子、半导体、冶金、生物工程等领域。

3、本发明提供的石墨复合材料中，所述平坦层的厚度在50nm-900nm之间且由金属cr形成。

4、本发明提供的石墨复合材料中，所述抗氧化层的厚度在700nm-8000nm之间且由金属化合物crn形成。

5、本发明提供的石墨复合材料中，在所述抗氧化层中，cr、n的原子百分比分别为50～80％、20～50％。

6、为解决上述技术问题，本发明还提供了一种上所述的石墨复合材料的其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：步骤s1，对石墨基体进行清洗；步骤s2，在所述石墨基体的表面形成平坦层；步骤s3，在所述平坦层的表面形成抗氧化层。

7、本发明提供的其制备方法中，所述步骤s1包括：步骤s11，预清洗：用酒精擦拭待镀膜的石墨基体表面；步骤s12，放置样品：将经酒精清洗后的石墨基体装夹在磁控多弧离子溅射镀膜设备里的圆形转架的挂件杆上，设置圆形转架整体公转的同时挂件杆自转；步骤s13辉光清洁：在温度为170℃～400℃、真空度为3×10-3～6×10-3pa的条件下对石墨基体进行辉光等离子清洗。

8、本发明提供的其制备方法中，在所述步骤s2中，采用两段式电弧镀膜方法在所述石墨基体的表面形成所述平坦层；其中，在第一阶段，设置cr靶弧电流为80a～120a，占空比30％～80％，负偏压450v～800v；在第二阶段，设置ti靶弧电流为80a～120a，占空比30％～80％，负偏压80v～450v。

9、本发明提供的其制备方法中，在所述步骤s2中，所述第一阶段的持续时间少于所述第二阶段的持续时间。

10、本发明提供的其制备方法中，在所述步骤s3中，控制氩气流量为50sccm～700sccm，设置氮气作为反应气体，设置cr靶电流为10a～40a，负偏压50v～200v，占空比30％～80％，沉积时间为20min～120min。

11、本发明提供的其制备方法中，在所述步骤s3中，作为反应气体的氮气的流量为50sccm～700sccm。

12、实施本发明的石墨复合材料至少可以达到以下有益效果：

13、1、在所述石墨基体表面形成一层由金属cr构成的平坦层，可以适当减缓石墨基体表面的不平程度，同时，所述平坦层是由电弧镀膜技术制备，能量大，并且平坦层的下表面的金属cr与石墨基体的上表面可形成cr-c化学键，而且cr热膨胀系数较小、与石墨相近，cr平坦层可与石墨基体的应力差小，cr平坦层可与石墨基体较好的结合。并且cr平坦层不会与crn抗氧化层产生不好的界面应力，可为接下来需要镀上的crn抗氧化层提供良好的生长基底，有利于在石墨基体表面生成致密的crn抗氧化层涂层。概言之，cr平坦层可以很好的连接石墨基体和crn抗氧化层涂层。

14、2、crn抗氧化层相对于现有技术中常用的硬质抗氧化层(例如，目前产业化应用最为普遍的tin)相比，crn抗氧化层具有较低的内应力、较小的热膨胀系数、硬度高、良好的热稳定性、韧性、耐磨、耐腐蚀和抗氧化性能等优点。crn抗氧化层可以对石墨基体形成良好且稳定长效的保护。

技术特征：

1.一种石墨复合材料，其特征在于，所述石墨复合材料包括石墨基体、附着于所述石墨基体表面的平坦层、以及附着于所述过渡层表面的抗氧化层。

2.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述平坦层的厚度在50nm-900nm之间且由金属cr形成。

3.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，所述抗氧化层的厚度在700nm-8000nm之间且由金属化合物crn形成。

4.根据权利要求1所述的石墨复合材料，其特征在于，在所述抗氧化层中，cr、n的原子百分比分别为50～80％、20～50％。

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的石墨复合材料的其制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的其制备方法，其特征在于，所述步骤s1包括：

7.根据权利要求5所述的其制备方法，其特征在于，在所述步骤s2中，采用两段式电弧镀膜方法在所述石墨基体的表面形成所述平坦层；其中，在第一阶段，设置cr靶弧电流为80a～120a，占空比30％～80％，负偏压450v～800v；在第二阶段，设置ti靶弧电流为80a～120a，占空比30％～80％，负偏压80v～450v。

8.根据权利要求7所述的其制备方法，其特征在于，所述第一阶段的持续时间少于所述第二阶段的持续时间。

9.根据权利要求5所述的其制备方法，其特征在于，在所述步骤s3中，控制氩气流量为50sccm～700sccm，设置氮气作为反应气体，设置cr靶电流为10a～40a，负偏压50v～200v，占空比30％～80％，沉积时间为20min～120min。

10.根据权利要求9所述的其制备方法，其特征在于，在所述步骤s3中，作为反应气体的氮气的流量为50sccm～700sccm。

技术总结
一种石墨复合材料及其制备方法。所述石墨复合材料包括石墨基体、附着于所述石墨基体表面的平坦层、以及附着于所述平坦层表面的抗氧化层。所述制备方法包括如下步骤：步骤S1，对石墨基体进行清洗；步骤S2，在所述石墨基体的表面形成平坦层；步骤S3，在所述平坦层的表面形成抗氧化层。所述石墨复合材料的所述抗氧化层在高温有氧环境下可通过所述平坦层强力稳定的附着在所述石墨基体的表面，从而在高温有氧气环境下所述抗氧化层不会发生脱落，如此有利于提高石墨材料在高温有氧环境下的抗氧化能力的稳定性和可靠性，可大幅拓宽石墨材料的应用领域。

技术研发人员：何瑞征,许绍雄,洪嘉乐,曾力策
受保护的技术使用者：伯恩光学（惠州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12