一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层及制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层及制备方法和应用，它是在预处理的钢铁基体上通过电沉积方法制备而来的具有纳米尺度的仿生层状结构，通过在电沉积溶液中，引入氧化石墨烯和碳量子点，使得纳米石墨烯片+碳点与Ni‑W共同沉积在钢基体上。制备得到的涂层具有耐蚀性、减摩性以及耐磨性，能层层阻隔腐蚀介质传输，对腐蚀介质围追堵截，从而提高耐蚀性。

A Layered Bionic Wear-Resistant, Corrosion-Resistant and Friction-Reducing Coating and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a layered bionic wear-resistant, corrosion-resistant and friction-reducing coating and its preparation method and application. It is a bionic layered structure with nano-scale prepared by electrodeposition on the pretreated steel substrate. By introducing graphene oxide and carbon quantum dots into the electrodeposition solution, the nano-graphene sheet+carbon dots are deposited on the steel substrate together with Ni_W. The coatings prepared have corrosion resistance, friction reduction and wear resistance. The coatings can block the transmission of corrosive media layer by layer and intercept the corrosive media, so as to improve the corrosion resistance.

【技术实现步骤摘要】
一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层及制备方法和应用
本专利技术涉及一种耐腐蚀涂层及制备方法，属于金属材料表面处理领域。具体来讲就是公开了一种利用电沉积方法获得仿生层状结构的耐蚀耐磨减摩涂层及制备方法。
技术介绍
在海洋、石油、化工、煤炭、医疗卫生等领域，大量的关键零部件工作在严苛的腐蚀、磨损环境下，因为工件表面的防护涂层材料以及性能不合乎要求，而大大缩短了使用寿命，既带来安全隐患，也造成极大的材料浪费。海洋各种贝类的壳体微观下具有层状结构，这种结构不仅具有防污、自清洁等作用，还具有流体减阻，耐磨、减摩、耐蚀等作用，自从上世纪80年代被科学界发现后，近几十年来仿生结构材料一直是人们关注和研究的热点，仿生耐蚀减摩涂层在现实生产生活中尤其是针对处于海洋环境下的金属材料具有广阔的应用前景。中国专利申请号201010531596.X，公开了一种镁合金表面仿生疏水性涂层的制备方法，采用化学镀的方法在镁合金表面获得仿生疏水涂层，目的在于提高镀层的表面疏水性能，进而改善其耐蚀性。中国专利申请号201710128167.X公开了一种激光与阳极氧化复合制备钛合金仿生涂层的方法，将激光预处理后的钛合金，放入阳极氧化液中，以不锈钢为阴极，获得具有仿生涂层的钛合金。该专利技术较传统阳极氧化方法，更易调整钛合金表面微观组织结构，而且把对环境的污染和对人体的危害降到最低，极大提高材料的生物活性、耐磨性和耐蚀性，提高植入体的使用寿命。中国专利公开号CN104726907A公开了一种镍钨氧化石墨烯复合镀液、镀膜及其制备方法，将有着良好机械性能的氧化石墨烯引入到镀液中，并在电镀过程中有效的将GO沉积分散于Ni-W基质中。氧化石墨烯分散在Ni-W基质中有效降低了摩擦系数。通过在共沉积过程中有效的改变晶体成核与生长的竞争关系，改善了镀膜结构，使沉积膜层变得更加均匀、致密，削弱了晶间腐蚀，延长了腐蚀介质的扩散路径，提高了复合镀膜的耐蚀性。采用以上不同的仿生涂层设计和制备方法，虽然可以提高材料表面的耐磨性、耐蚀性，但是制备的涂层减摩性能差，无法应用于海洋环境的金属材料。因此，迄今为止，针对应用于海洋环境下的钢铁材料，利用电沉积法在表面获得具有层状仿生结构，提高耐蚀、减摩性能的方法，还尚未见到国内外报道。中国知网公开了一篇博士论文“仿生减阻涂层的制备及性能研究”(哈尔滨工程大学张松松博士论文)，在该论文中，作者给出了几种制备超疏水性涂层的方法，对各种方法制备的涂层性能进行了比较。但是并没有涉及到本专利技术的方法
技术实现思路
为了提高海洋环境下材料表面的耐磨、耐腐蚀性能和减摩性能，本专利技术提供了一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层以及制备方法。为达到上述目的，本专利技术采取的技术方案是：一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层，其特征在于，它是在预处理的钢铁基体上通过电沉积方法制备而来的具有纳米尺度的仿生层状结构，通过在电沉积溶液中，引入氧化石墨烯和碳量子点，使得纳米石墨烯片+碳点与Ni-W共同沉积在钢基体上电沉积所用的镀液组成为：硫酸镍：20～300g/L，氯化镍：40～60g/L，钨酸钠或钼酸钠或三氯化铬:30～200g/L，柠檬酸三钠：50～100g/L，糖精钠：1～2g/L，硼酸：40～60g/L，十二烷基硫酸钠：0.5g/L，溴化铵：15～30g/L，氧化石墨烯(GO)：1～3g/L，水溶性碳量子点0.5～1g/L，溶剂为去离子水。本专利技术层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层的制备方法为：第一步：镀液配置将镀液各组分按照要求称重，用去离子水溶解混合，并调整pH值；具体过程为：(1)首先将氧化石墨烯和水溶性碳量子点加入去离子水中，经搅拌和超声分散溶于去离子水中；搅拌时间优选60min，超声分散时间优选120min；(2)将硫酸镍溶于去离子水中，优选采用热浴的方式溶解；(3)再将钨酸钠和柠檬酸钠混合充分溶解后，依次加入第(2)和(1)制备的溶液，最后加入其他的成分，边加边搅拌；(4)用去离子水将混合后的溶液稀释到预先设定好的体积，并调整pH值为3-7；第二步：钢铁基体进行预处理将钢铁基体依次打磨、抛光、去污处理、酸溶液活化、冲洗和烘干后，用金相保护膜保护；第三步：电沉积将处理后的钢铁基体浸入镀液中，采用电沉积方法，将纳米石墨烯片+碳点与Ni-W共同沉积在钢基体上；电沉积工艺参数优选为：电流密度：6～12A/dm2，PH：3～7，沉积时间：10～40min，沉积温度：50℃，频率：400Hz，占空比：0.2；第四步：处理及性能测试电镀完成后，分别用酒精、去离子水冲洗，冷风吹干，然后对式样进行耐腐蚀、耐磨损、及接触角的测试。本专利技术的有意效果是1、本专利技术通过在电沉积溶液中，引入氧化石墨烯和碳量子点(碳点)，使得纳米石墨烯片+碳点与Ni-W共同沉积在钢基体上。因为石墨片能阻碍垂直于钢基体生长的柱状晶，同时又与碳量子点一起，提供了大量层状的、纳米尺度的异质形核，在细化镀层组织形成纳米结构的基础上，又诱导镀层形成了层状的类似于贝壳结构的仿生结构。镀层中的Ni-W提高电极电位和硬度及耐磨性，仿生的层状结构及细密的组织阻碍腐蚀介质渗入，具有抗酸、碱、盐腐蚀性，而石墨烯(GO)和碳量子点的滑动性，又提高减摩性，从而使得涂层具有耐磨、耐蚀、减摩性。最终获得具有层状仿生纳米结构的耐磨耐蚀减摩涂层，并且涂层的纳米结构还具有疏水和防污性能。2、本专利技术制备的仿生耐磨耐蚀减摩涂层结构是纳米尺度的层状结构，而不是传统电沉积形成的粗大的柱状结构，涂层厚度5～30μm。这种结构具有耐蚀性、减摩性以及耐磨性，能层层阻隔腐蚀介质传输，对腐蚀介质围追堵截，从而提高耐蚀性。在同样的电流密度下10A/dm2条件下，本专利技术和传统柱状结构涂层相比较，自腐蚀电流从传统柱状结构的3.89μA减小到本专利技术2.45μA，电极电位从从传统柱状结构的-576.5mV到本专利技术的-360.3mV，耐腐蚀速率从传统柱状结构的0.772降到本专利技术的0.297，耐蚀性大大提高；涂层摩擦系数COF从传统柱状结构的0.65减小到本专利技术0.38；涂层硬度从550HV0.1提高到750HV0.1；同时涂层的纳米结构具有疏水性能，接触角从传统柱状结构的120°到本专利技术151°，说明本专利技术涂层具有更好的耐蚀和防污性。3、本专利技术的涂层在海水环境下具有耐蚀、耐磨、减摩、防污性能，而且获得涂层的镀液成分来源广泛，工艺方法简单，便于推广应用。附图说明图1是显示本专利技术涂层表面形貌及接触角的SEM图；图2是显示本专利技术具有仿生层状结构涂层的SEM图；图3a和图3b是本专利技术涂层和现有柱状结构涂层在相同的电流密度10A/dm2下电化学性能图比较图，其中图3a是能奎斯特图，图3b是动电位极化曲线图；图4是本专利技术涂层和现有柱状结构涂层在相同的电流密度10A/dm2下的摩擦系数曲线图；图5a和5b是本专利技术涂层在不同的电流密度下电化学性能曲线图，其中图5a是能奎斯特图，图5b是动电位极化曲线图；图6是本专利技术涂层在不同的电流密度下的摩擦系数曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的优选实施例进行详细阐述，以使本专利技术的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本专利技术的保护范围做出更为清楚明确的界定。实施例1实施例1中镀液的组分及配比为：硫酸镍：20g/L、氯化镍：40g/L、钨酸钠(钼酸钠/三氯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层，其特征在于，它是在预处理的钢铁基体上通过电沉积方法制备而来的具有纳米尺度的仿生层状结构，通过在电沉积溶液中，引入氧化石墨烯和碳量子点，使得纳米石墨烯片+碳点与Ni‑W共同沉积在钢基体上；电沉积所用的镀液组成为：硫酸镍：20～300g/L，氯化镍：40～60g/L，钨酸钠或钼酸钠或三氯化铬:30～200g/L，柠檬酸三钠：50～100g/L，糖精钠：1～2g/L，硼酸：40～60g/L，十二烷基硫酸钠：0.5g/L，溴化铵：15～30g/L，氧化石墨烯(GO)：1～3g/L，水溶性碳量子点0.5～1g/L，溶剂为去离子水。

【技术特征摘要】
1.一种层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层，其特征在于，它是在预处理的钢铁基体上通过电沉积方法制备而来的具有纳米尺度的仿生层状结构，通过在电沉积溶液中，引入氧化石墨烯和碳量子点，使得纳米石墨烯片+碳点与Ni-W共同沉积在钢基体上；电沉积所用的镀液组成为：硫酸镍：20～300g/L，氯化镍：40～60g/L，钨酸钠或钼酸钠或三氯化铬:30～200g/L，柠檬酸三钠：50～100g/L，糖精钠：1～2g/L，硼酸：40～60g/L，十二烷基硫酸钠：0.5g/L，溴化铵：15～30g/L，氧化石墨烯(GO)：1～3g/L，水溶性碳量子点0.5～1g/L，溶剂为去离子水。2.一种如权利要求1所述的层状仿生耐磨耐蚀减摩涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：镀液配置将镀液各组分按照要求称重，用去离子水溶解混合，并调整pH值；具体过程为：(1)首先将氧化石墨烯和水溶性碳量子点加入去离子水中，经搅拌和超声分散溶于去离子水中；(2)将硫酸镍溶于去离子水中；(3)再将钨酸钠和柠檬酸钠混合充分溶解后，依次加入第(2)和(1)制备的溶液，最后加入其他的成分，边加边搅拌；(4)用去离子水将混合后的溶液稀释到预先设定好的体积，并调整pH值为3-7；第二步：钢铁基体进行预处理将钢铁基体依次打磨、抛光、去污处理、酸溶液活化、冲洗和烘干后，用金相保护膜保护；第三步：电沉积将处理后的钢铁基体浸入镀液中，采用电沉积方法，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪芝，张国松，田水昌，魏娜，田健，王新震，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东,37