一种在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯复合纳米氧化物涂层及在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法。将质量分数30‑40％的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入8‑12％的水杨酸、3‑5％OP‑10、4‑8％水解聚乙烯醇、1‑3％磷酸三丁酯，余下为无水乙醇，按以上上述顺序加入；而后将稀土掺杂纳米氧化物粉与上述石墨烯溶液混合得到石墨烯复合纳米氧化物涂层。

Method for embedding graphene composite nano oxide coating in micro structure of material surface

The invention discloses a graphene composite nano oxide coating and a method for embedding graphene composite nano oxide coating in the micro structure of the material surface. The reduction of graphene oxide by 30 mass fraction of 40% dispersed in ethanol, adding 8 12% salicylic acid, 3 5%OP 10, 4 8%, 1 hydrolyzed polyvinyl alcohol 3% phosphoric acid butyl ester three, remaining ethanol, according to the above mentioned order will then join; rare earth doped nano oxide powder with the solution of graphene graphene nano composite oxide coating.

【技术实现步骤摘要】
一种在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法
本专利技术属于纳米材料
，具体涉及一种在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法。
技术介绍
石墨烯是目前发现的最薄的超强润滑材料，尽管石墨烯拥有如此优异的力学和物理性能，但是在实际应用中，由于石墨烯表面能较高，使其稳定性不好，且易于团聚，在摩擦接触应力作用下，易发生层间滑移，卷曲和堆积现象，因此，该方面的局限性导致其磨损寿命的缩短，严重影响了其在工业化中的广泛应用。虽然人们已在石墨烯微观和宏观摩擦学方面已有的研究有大量报道，但是鉴于石墨烯在宏观情况下的磨损寿命的缩短并不理想，这必将成为制约其未来工业化应用的关键问题之一。纵观人们在石墨烯摩擦学方面研究可以发现，目前，国内外对石墨烯摩擦性能的研究还仅集中于二维石墨烯微纳尺度下摩擦学性能的试验和原理性的研究工作。专利(ZL201310172642.5)曾提出利用表面微织构化提高石墨烯耐磨寿命，专利技术基于化学气相沉积技术制备石墨烯，通过对转移之后的石墨烯表面嵌入柱状的“纽扣”阵列结构，在保持原有润滑性能的同时，进一步提高其耐磨寿命。该方法主要是利用化学气相沉积法通过在铜表面生长石墨烯，需经过铜腐蚀之后再转移到硅片上，主要是需要消耗大量的铜材料，材料浪费严重。近期，也有人直接利用氧化石墨烯片提高钢板耐磨性能。美国阿贡国家实验室科学家A.Sumant等人，通过将商业化石墨烯片吸附在钢板上，发现其摩擦系数降低了85％，耐磨性提高了近两倍，其所用方法重要主要是通过在钢表面吸附大量的氧化还原石墨烯，但是该方法并未能实现石墨烯与基体直接的紧密结合，摩擦过程中由于吸附的氧化石墨烯不能保证均匀地分布在钢表面且易石墨化。
技术实现思路
本专利技术主要针对解决石墨烯吸附于金属表面的结合强度及耐磨寿命等问题，提出一种石墨烯复合纳米氧化物涂层及在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法。通过该方法来控制石墨烯薄膜的滑移，并起到提高石墨烯与基体之间的结合及延长耐磨寿命的作用。前期的研究表明，石墨烯表面微织构化所用元素的成本较高，在材料的选择上具有一定的局限性。在此基础上，考虑到纳米氧化物陶瓷材料往往具有较高的硬度和耐磨性能，若将纳米粒子与石墨烯复合并镶嵌于材料表面的凹坑结构中，纳米粒子的作用有效地降低了石墨烯的表面能，同时表面凹坑结构也将减少石墨烯层间滑移，有助于改善石墨烯的耐磨寿命。因此，本专利技术提出一种石墨烯复合纳米氧化物粒子并内嵌与材料表面微结构中的方法来控制石墨烯薄膜的滑移，并起到提高石墨烯与基体之间的结合及延长耐磨寿命的作用，该方法对扩大石墨烯在工业方面的应用及提高其磨损寿命具有重大价值。本专利技术制备工艺简单，生产成本低，非常便于工业化生产。实现上述专利技术目的的技术方案是：本发提供一种石墨烯复合纳米氧化物涂层，将质量分数30-40％的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入8-12％的水杨酸、3-5％OP-10、4-8％水解聚乙烯醇、1-3％磷酸三丁酯，余下为无水乙醇，按以上上述顺序加入；而后将稀土掺杂纳米氧化物粉与上述石墨烯溶液混合得到石墨烯复合纳米氧化物涂层。进一步，所述还原氧化石墨烯的制备具体包括以下步骤：①氧化石墨的制备：首先将鳞片石墨(2wt.％)，硝酸钾(3wt.％)，余下为浓硫酸组成混合溶液，按照浓硫酸、鳞片石墨及硝酸钾顺序依次加入，然后在上述溶液中加入8％的高锰酸钾，并在40℃的温度下保持搅拌3小时；再将去离子水加入溶液中，并加热至温度65-80℃，搅拌持续20-90分钟，将上述制备的溶液缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀，调整pH值为5-6，离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，再利用甲醇溶液离心25分钟除去残余的片层固体；②还原氧化石墨烯的制备：将分离后的氧化石墨加入质量百分比为10％的水合肼中还原2-4小时，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中，在80℃水溶液中反应，制备出还原氧化石墨烯。进一步，所述稀土掺杂纳米氧化物的制备包括以下步骤；①取一定量的氧化物前驱体与去离子水配制成0.3-0.6mol/L的水溶液；②向步骤①中加入乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量稀土硝酸盐，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0.02-0.08mol/L；④调节此混合溶液pH值为4-6；⑤将步骤④中混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在160-190℃下反应24-48小时；⑥将步骤⑤离心沉降，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理后，即可得到稀土掺杂的纳米氧化物粉末。进一步，所述稀土掺杂纳米氧化物为含铒三价稀土元素掺杂纳米氧化锆，其制备包括以下步骤：①取次氯酸锆与去离子水配制成0.4mol/L的水溶液；②向步骤①中加入6ml的乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量硝酸铒，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0.06mol/L；④用NaOH调节此混合溶液pH值为5；⑤将步骤④中混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在180℃下反应24小时；⑥将步骤⑤离心沉降，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理后，即可得到稀土铒掺杂的纳米氧化锆粉末。进一步，所述稀土掺杂纳米氧化物为含钐三价稀土元素掺杂纳米氧化锆，其制备包括以下步骤：①取次氯酸锆与去离子水配制成0.4mol/L的水溶液；②向步骤①中加入6ml的乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量硝酸钐，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0.06mol/L；④用NaOH调节此混合溶液pH值为5；⑤将步骤④中混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在180℃下反应24小时；⑥将步骤⑤离心沉降，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理后，即可得到稀土钐掺杂的纳米氧化锆粉末。进一步，所述稀土掺杂纳米氧化物为含铱的三价稀土元素掺杂纳米氧化锆，其制备包括以下步骤：①取次氯酸锆与去离子水配制成0.4mol/L的水溶液；②向步骤①中加入6ml的乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量硝酸铕，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0.06mol/L；④用NaOH调节此混合溶液pH值为5；⑤将步骤④中混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在180℃下反应24小时；⑥将步骤⑤离心沉降，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理后，即可得到稀土铕掺杂的纳米氧化锆粉末。本专利技术还提供一种在材料表面微结构中内嵌石墨烯复合纳米氧化物涂层的方法，包括以下步骤：①金属材料表面微结构化设计：取15×15mm的钢片，经过表面打磨、抛光、清洗处理，在钢片表面用ND：YAG脉冲激光器进行激光打孔，每个孔的直径在150-300μm，相邻两个小孔圆心相距300-500μm，脉冲激光频率20kHz，打孔时间0.1ms；②将所述稀土掺杂纳米氧化物粉与所述石墨烯溶液按1:1-1:3的比例混合，取经过该步骤①表面微结构化处理的样品，并把上述混合溶液在1500r/min的旋涂机上均匀涂覆于材料表面。上述金属表面微结构化石墨烯复合氧化物纳米涂层的摩擦磨损测试方法：石墨烯复合氧化物纳米涂层的摩擦磨损测试借助HT-500微型摩擦磨损试验机对薄膜的摩擦系数进行了测定。在室温条件下，选用对磨材料为Φ3mm的Si3N4，测试本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯复合纳米氧化物涂层，其特征在于，将质量分数30‑40％的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入8‑12％的水杨酸、3‑5％OP‑10、4‑8％水解聚乙烯醇、1‑3％磷酸三丁酯，余下为无水乙醇，按以上上述顺序加入；而后将稀土掺杂纳米氧化物粉与上述石墨烯溶液混合得到石墨烯复合纳米氧化物涂层。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯复合纳米氧化物涂层，其特征在于，将质量分数30-40％的还原氧化石墨烯超声分散于无水乙醇中，加入8-12％的水杨酸、3-5％OP-10、4-8％水解聚乙烯醇、1-3％磷酸三丁酯，余下为无水乙醇，按以上上述顺序加入；而后将稀土掺杂纳米氧化物粉与上述石墨烯溶液混合得到石墨烯复合纳米氧化物涂层。2.权利要求1所述的石墨烯复合纳米氧化物涂层，其特征在于，所述还原氧化石墨烯的制备具体包括以下步骤：①氧化石墨的制备：首先将鳞片石墨(2wt.％)，硝酸钾(3wt.％)，余下为浓硫酸组成混合溶液，按照浓硫酸、鳞片石墨及硝酸钾顺序依次加入，然后在上述溶液中加入8％的高锰酸钾，并在40℃的温度下保持搅拌3小时；再将去离子水加入溶液中，并加热至温度65-80℃，搅拌持续20-90分钟，将上述制备的溶液缓慢倒入过氧化氢溶液中并搅拌均匀，调整pH值为5-6，离心机中离心30分钟，获得液体和固体分离相，再利用甲醇溶液离心25分钟除去残余的片层固体；②还原氧化石墨烯的制备：将分离后的氧化石墨加入质量百分比为10％的水合肼中还原2-4小时，然后加入去离子水并将该混合溶液加入到反应釜中，在80℃水溶液中反应，制备出还原氧化石墨烯。3.权利要求1所述的石墨烯复合纳米氧化物涂层，其特征在于，所述稀土掺杂纳米氧化物的制备包括以下步骤；①取一定量的氧化物前驱体与去离子水配制成0.3-0.6mol/L的水溶液；②向步骤①中加入乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量稀土硝酸盐，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0.02-0.08mol/L；④调节此混合溶液pH值为4-6；⑤将步骤④中混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬中，将该内衬置于反应釜中在160-190℃下反应24-48小时；⑥将步骤⑤离心沉降，分别用蒸馏水和无水乙醇洗涤，经80℃烘干处理后，即可得到稀土掺杂的纳米氧化物粉末。4.权利要求3所述的石墨烯复合纳米氧化物涂层，其特征在于，所述稀土掺杂纳米氧化物为含铒三价稀土元素掺杂纳米氧化锆，其制备包括以下步骤：①取次氯酸锆与去离子水配制成0.4mol/L的水溶液；②向步骤①中加入6ml的乳酸，并用用磁力搅拌器室温搅拌均匀；③加入一定量硝酸铒，得到的混合溶液中稀土离子浓度为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴红艳，黄珂，张跃文，邵绍峰，饶伟峰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32