一种金属表面二次生长石墨烯的方法

技术领域

本发明属于金属表面防护技术领域，具体涉及一种金属表面二次生长石墨烯的方法。

背景技术

石墨烯优异的润滑性、化学稳定性使其在金属摩擦磨损防护方面有着不可比拟的优越性，将石墨烯用于提高材料表面摩擦性能是可行的，但由于石墨烯自身的厚度仅为纳米级，因此在很短的相互摩擦时间内石墨烯将消失殆尽，这也是石墨烯薄膜难以成为耐磨层的制约因素。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种金属表面二次生长石墨烯的方法，解决在不需要添加润滑剂等就可以实现保护膜的在线自修复生长，能使零器件在运行过程中更加有效的减少磨损，无需解体设备，最终实现降低加工成本，增加材料使用寿命的目的。

本发明采用以下技术方案：

一种金属表面二次生长石墨烯的方法，采用激光法在金属基底表面原位生长石墨烯薄膜，同时将碳源渗入金属基底内部；再破坏石墨烯薄膜，在氩气保护中加热金属基底，使金属基底中的碳源析出表面，形成二次生长的石墨烯。

具体的，激光法使用的激光器功率为1000～6000W，波长为900～1200nm，光斑直径为1～10mm，扫描速度为1～500mm/s。

进一步的，激光器采用二氧化碳激光器、光纤激光器或半导体激光器。

具体的，在金属基底上预置粒径50～100nm，厚度10～20μm的石墨粉用于原位生长石墨烯薄膜以及将碳源渗入金属基底内部。

具体的，金属基底为Ni、Cu、Ag或Au金属。

具体的，破坏方式包括砂纸摩擦、胶带粘撕和/或抛光机磨抛。

具体的，使用管式炉在氩气保护中加热金属基底，控制升温速度为1～5℃/min，生长温度为400～1000℃，生长时间30～600min，然后随炉冷却。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种金属表面二次生长石墨烯的方法，首先采用激光法在金属表面原位生长石墨烯薄膜，在激光法制备石墨烯过程时，金属基底内部渗入大量的碳源，当表面的石墨烯磨损后，基底内部的碳源在摩擦热的作用下逐渐向表面扩散，重新成膜，弥补磨损区域，形成原位自修复的机制，大大提高金属材料的耐磨性能，在不需要添加润滑剂等就可以实现保护膜的在线自修复生长，能使零器件在运行过程中更加有效的减少磨损。

进一步的，采用高功率激光辐照在预置了石墨粉的金属表面，辐照区域在激光关闭后，即刻在表面原位生成全覆盖的石墨烯薄膜，可为金属提供有效的防护，高功率连续激光可以在短时间内将金属基底加热到自身熔点，形成熔池，是一种高效的热加工手段。

进一步的，采用常见的联系激光器可为本发明的石墨烯生长和碳源植入提供热源。

进一步的，石墨粉粒径50～100nm，厚度10～20μm设置的目的在于上述碳源可以加速在金属内部的溶解及迁移至表面形成石墨烯。

进一步的，选取的金属基底均与碳能形成固溶体，且碳能形成单独的相析出，为石墨烯二次生长提供碳源。

进一步的，通过认为破坏方式模拟实际工况下的破坏。

进一步的，热处理工艺旨在模拟高温摩擦情况下，在热的驱动下，促进金属基底中的碳源往破损表面析出，形成新的石墨烯。

综上所述，当石墨烯在长时间机械磨损、电弧烧蚀下发生了破损后，本发明制备的金属基底中的碳源可以源源不断析出表面，为抗电弧烧蚀、提高合金机械性能提供持久性保障，充分发挥了石墨烯优异的电学、热学、机械性能，在无需拆解设备的情况下实现破损后的自修复，最终实现降低加工成本，增加金属件使用寿命的目的。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明激光制备石墨烯示意图；

图2为管式炉再生长石墨烯示意图；

图3为石墨烯形貌和结构表征图，其中，(a)为光学显微镜照片，(b)为扫描电镜照片，(c)拉曼光谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

本发明提供了一种金属表面二次生长石墨烯的方法，首先采用激光法原位生长石墨烯薄膜，同时金属基底内部渗入大量的碳源；再人为破坏石墨烯薄膜，最后用管式炉加热使金属基底中的碳源再次析出表面，形成二次生长的石墨烯。本发明充分发挥了石墨烯高熔点、高热导率、高电导率及低摩擦系数的优点，可大幅提高金属材料的抗摩擦性能，延长使用寿命。

本发明一种金属表面二次生长石墨烯的方法，采用自修复技术，延长石墨烯的耐久性，大大增加其对表面的保护寿命，包括以下步骤：

S1、利用高功率连续激光在预置石墨粉的金属基底表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光器采用二氧化碳激光器、光纤激光器或半导体激光器，其功率为1000～6000W，波长为900～1200nm，光斑直径为1～10mm，扫描速度为1～500mm/s。

石墨粉粒径为50～100nm，厚度为10～20μm。

金属基底为Ni、Cu、Ag、Au金属。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式包括砂纸摩擦、胶带粘撕、抛光机磨抛。

管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为1～5℃/min，生长温度为400～1000℃，生长时间30～600min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

S1、利用二氧化碳激光在预置石墨粉的Ni表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底，如图1所示；

其中激光功率为6000W，波长为900nm，光斑直径为5mm，扫描速度为1mm/s。石墨粉粒径为50nm，厚度为10μm。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯，如图2所示。

其中，人为破坏方式为砂纸摩擦。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为1℃/min，生长温度为400℃，生长时间30min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长，其表面形貌和结构如图3所示。

实施例2

S1、利用光纤激光在预置石墨粉的Cu表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光功率为2000W，波长为1098nm，光斑直径为1mm，扫描速度为10mm/s。石墨粉粒径为100nm，厚度为20μm。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式为胶带粘撕。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为5℃/min，生长温度为1000℃，生长时间120min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

实施例3

S1、利用半导体激光在预置石墨粉的Ag表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光功率为1000W，波长为1200nm，光斑直径为10mm，扫描速度为100mm/s。石墨粉粒径为75nm，厚度为15μm。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式为抛光机磨抛。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为2℃/min，生长温度为400℃，生长时间600min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

实施例4

S1、利用光纤激光在预置石墨粉的Au表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光功率为2000W，波长为980nm，光斑直径为1mm，扫描速度为500mm/s。石墨粉粒径为50nm，厚度为20μm。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式为砂纸摩擦。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为4℃/min，生长温度为600℃，生长时间240min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

实施例5

S1、利用半导体激光在预置石墨粉的Ni表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光功率为5000W，波长为1200nm，光斑直径为6mm，扫描速度为100mm/s。石墨粉粒径为60nm，厚度为12μm。

S2、对石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式为胶带粘撕。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为2℃/min，生长温度为800℃，生长时间480min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

实施例6

S1、利用光纤激光在预置石墨粉的Ag表面辐照得到大面积的石墨烯膜，将富余的碳源渗入金属基底；

其中激光功率为1000W，波长为1064nm，光斑直径为3mm，扫描速度为50mm/s。石墨粉粒径为90nm，厚度为18μm。

S2、对上述石墨烯膜上进行人为破坏出现破损区域，再通过管式炉加热工艺使得碳原子再次析出表面形成石墨烯；

其中，人为破坏方式为砂纸摩擦。管式炉加热工艺参数为：在氩气保护中，升温速度为1℃/min，生长温度为400℃，生长时间30min，随炉冷却，石墨烯在金属表面再次生长。

综上所述，本发明一种金属表面二次生长石墨烯的方法，石墨烯将作为独立涂层完全覆盖于银基合金表面，直接抵抗机械摩擦/疲劳等损伤。当表面石墨烯破损后，基底中的碳源在外界热源的刺激下再次析出表面，形成原位自修复石墨烯膜，弥补破损区域，可以实现在不拆卸整机的前提下修复关键零部件，大大提升了整机的使用寿命。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。