一种镍‑改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镍‑改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法。所述方法先将基片进行打磨去除氧化层和锈层，除油，稀盐酸活化后得到预处理的基材，利用3‑氨基丙基三乙氧基硅烷对氧化石墨烯进行改性，将改性石墨烯与镍镀液进行混合，并加入表面活性剂配制镍‑改性石墨烯复合镀液，最后以镍片为阳极，以预处理后的基材为阴极，置于镍‑改性石墨烯复合镀液中，进行多组换向脉冲电镀，得到镍‑改性石墨烯复合镀层。本发明专利技术方法改性后的氧化石墨烯水溶性好，在镀液中分散均匀，镀层中均匀分布，使用量少，制备的镍‑改性石墨烯复合镀层硬度提高、摩擦系数和磨损率降低、结合强度高、机械性能好、表面平整洁净、无污染，具有很好的应用前景。

A nickel modified graphene composite coating preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种镍-改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法
本专利技术涉及电沉积
，涉及一种镍-改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法。
技术介绍
如何在材料表面减少摩擦带来的损失是急需解决的问题。固体润滑涂层是通过一定方法使具有润滑效果的材料与表面增强材料一起覆盖到基体表面上，与表面结合好，在摩擦过程之中起到润滑的作用，可有效减少摩擦。Lee等(Measurementoftheelasticpropertiesandintrinsicstrengthofmonolayergraphene[J].science,2008,321(5887):385-388.)研究表明当基底与石墨烯是强结合时，摩擦学性能与层数无关，表现出类似石墨的润滑作用；当基底与石墨烯是弱结合时，从1到4层时随层数增加摩擦力减少，5层时达到固体石墨的润滑作用。中国专利201410728980.7公开了一种碱性石墨烯-镍复合镀层的制备方法，采用碱性溶液来解决石墨烯溶液的分散性问题。中国专利20141084279.4公开了一种Ni-石墨烯电镀液，由于水中分散性的原因，使用石墨烯含量较高，成本较高。石墨烯由于结构和化学性质稳定，缺少活性基团，在镀液之中分散度不好，影响电镀的质量。氧化石墨烯在水中具有较好的分散性，但是其稳定性较差，在纳米复合材料之中的应用效果比石墨烯差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种氧化石墨烯使用量少，结构致密平整，能够显著降低摩擦系数和磨损量的镍-改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法。实现本专利技术目的的技术方案如下：一种镍-改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法，具体步骤如下：步骤1，基材的清理和活化：打磨基材，去除表面锈层和氧化层，抛光，除油，5-15％的稀盐酸活化，水洗，干燥，得到预处理的基材；步骤2，氧化石墨烯的改性：将3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌条件下，于60～80℃的恒温水浴下，进行10～14h的改性反应，反应结束后，离心，洗涤，冷冻干燥，得到改性石墨烯粉末；步骤3，镍-改性石墨烯复合镀液的配制：将改性石墨烯粉末与表面活性剂在水中超声分散均匀后，加入到镍镀液中，充分搅拌下得到均匀分散的镍-改性石墨烯复合镀液；步骤4，电镀：以镍片为阳极，以预处理后的基材为阴极，置于镍-改性石墨烯复合镀液中，进行多组换向脉冲电镀，水浴温度为35～45℃，在搅拌下电镀，电镀结束后，水洗，干燥，得到镍-改性石墨烯复合镀层。步骤1中，所述的基材为任意形状的铁和不锈钢。步骤1中，除油溶液为氢氧化钠50～60g/L，碳酸钠70～80g/L，除油温度为50℃，处理时间20～30min。步骤2中，所述的氧化石墨烯分散液的浓度为0.5mg/mL，3-氨基丙基三乙氧基硅烷与氧化石墨烯分散液的体积比为1:15～1:20。步骤3中，所述的表面活性剂选自0.05～0.1g/L十二烷基磺酸钠、0.05～0.1g/L十二烷基苯环酸钠、0.004～0.01g/L十六烷基三甲基溴化铵中的一种或多种。步骤3中，所述的镍-改性石墨烯复合镀液包括220～260g/L硫酸镍，35～50g/L氯化镍，25～35g/L硼酸，15～25g/L硫酸钠和0.02～0.08g/L改性石墨烯。步骤4中，电镀参数为脉冲电源，正向电流为0.3～0.5A，反向电流为0.05～0.15A，一个循环共10组，脉冲宽度为以100ns开始，50ns的梯度递增，电镀时间为1～4h，搅拌速度为300～700rpm。本专利技术利用KH550对氧化石墨烯进行改性，得到在电镀液中具有良好分散性的改性石墨烯。本专利技术通过改性石墨烯与镍镀液制备Ni-改性石墨烯复合镀层。改性石墨烯作为镀层中的增强体，一方面作为纳米颗粒加入，镀层的空隙率减小，镀层的致密性增加，另一方面发挥改性后的氧化石墨烯的作用，提高镀层性能。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术方法工艺简单、可控性好，镀液无污染、安全稳定，氧化石墨烯使用量少，得到的改性石墨烯在水中的分散性良好，且这种纳米微粒使得镀层的致密性提高；(2)本专利技术得到的改性石墨烯为纳米微粒，提高了镀层的致密性，本专利技术方法制得的复合镀层硬度高、结合性好、摩擦系数降低、磨损量显著下降，使用寿命长，在外加载荷为400g，对磨球5mm，摩擦半径5mm，速度为0.121m/s，时间30min条件下，摩擦系数为0.45～0.60，相较于纯镍0.8～0.9，有显著地提高，磨痕宽度仅为300～500um，深度仅为2～5um，磨损损失量极低。附图说明图1为实施例1中电镀前后材料的实物图，图1(a)为电镀前，图1(b)为电镀后。图2为实施例1中氧化石墨烯和改性石墨烯在水中的分散性结果图，图2(a)为初始状态，图2(b)为静置3小时后，图2(c)为静置一天后。图3为实施例1中改性石墨烯的SEM图。图4为实施例1中镀层的表面SEM图。图5为实施例1中镀层的截面SEM图。图6为实施例1中镀层的磨痕三维形貌图。图7为实施例1中镀层的红外图谱。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详述。实施例1(1)基材的处理：取一直径60mm，厚度3mm的#45钢圆盘，采用砂纸打磨去除表面锈层和氧化层，再进行抛光。配置除油溶液进行除油，除油配方为：氢氧化钠50g/L，碳酸钠70g/L，获得除油溶液基片放入在50℃条件下，浸泡20min。浸没在10％稀盐酸中活化，2-3s之后取出。用水冲洗，无水乙醇清洗，烘干后备用。(2)氧化石墨烯改性：将氧化石墨烯稀释为0.5mg/mL，超声分散1h。后将KH550加入到分散好的GO溶液之中，其体积比为1:20。将KH550-GO混合溶液置于70℃中，600rpm搅拌下恒温反应12小时。将混合的浑浊液进行2000rpm离心5分钟，充分洗涤。将洗涤之后的沉积糊状沉积物冷冻干燥12h，待完全干燥后，获得絮状改性石墨烯。(3)电镀溶液配置：称取60g硫酸镍、11.25g氯化镍、7.5g硼酸、5g硫酸钠，分别用水充分溶解后混合。取0.02g改性氧化石墨烯粉末与20mL去离子水和0.025g十二烷基磺酸钠混合分散，加入镍镀液中，制成镀液250mL。(4)电镀：采用多组脉冲电源，一个循环10组，脉冲宽度分别为100ns，150ns，200ns，250ns……，正向电流为0.4A，反向电流为0.1A，水浴温度为40℃，电镀总时间为4h，搅拌速度350rpm，获得复合镀层。本实施例制得的改性石墨烯的水溶性效果见图2，经过改性后的氧化石墨烯，其水溶性明显改善。图3为实施例1中改性石墨烯的SEM图，可以看出改性石墨烯絮状粉末呈现单层，使得添加量减少，分散均匀，镀层质量更高。镀层的截面和表面形貌见图4和图5，可以看出，结合紧密无明显的空隙和空洞，表面结晶度高、晶粒细小致密。图7为实施例1中镀层的红外图谱，可以看出石墨烯官能团的增加，表明石墨烯成功改性。本实施例制得的镀层硬度为348.6HV0.2(纯镍240.2HV0.2)，载荷400g，速度0.132m/s，时间30min，摩擦半径5mm条件下摩擦系数为0.55(纯镍为0.8)，磨损率为1.014×10-6mm3/m·N，图6为磨损后的三维形貌图，可以看出磨痕浅，磨损量低，涂层无开裂和剥落的现象，涂层表面粗糙度低。实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍‑改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，基材的清理和活化：打磨基材，去除表面锈层和氧化层，抛光，除油，5～15％的稀盐酸活化，水洗，干燥，得到预处理的基材；步骤2，氧化石墨烯的改性：将3‑氨基丙基三乙氧基硅烷加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌条件下，于60～80℃的恒温水浴下，进行10～14h的改性反应，反应结束后，离心，洗涤，冷冻干燥，得到改性石墨烯粉末；步骤3，镍‑改性石墨烯复合镀液的配制：将改性石墨烯粉末与表面活性剂在水中超声分散均匀后，加入到镍镀液中，充分搅拌下得到均匀分散的镍‑改性石墨烯复合镀液；步骤4，电镀：以镍片为阳极，以预处理后的基材为阴极，置于镍‑改性石墨烯复合镀液中，进行多组换向脉冲电镀，水浴温度为35～45℃，在搅拌下电镀，电镀结束后，水洗，干燥，得到镍‑改性石墨烯复合镀层。

【技术特征摘要】
1.一种镍-改性石墨烯耐磨复合镀层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1，基材的清理和活化：打磨基材，去除表面锈层和氧化层，抛光，除油，5～15％的稀盐酸活化，水洗，干燥，得到预处理的基材；步骤2，氧化石墨烯的改性：将3-氨基丙基三乙氧基硅烷加入到氧化石墨烯分散液中，搅拌条件下，于60～80℃的恒温水浴下，进行10～14h的改性反应，反应结束后，离心，洗涤，冷冻干燥，得到改性石墨烯粉末；步骤3，镍-改性石墨烯复合镀液的配制：将改性石墨烯粉末与表面活性剂在水中超声分散均匀后，加入到镍镀液中，充分搅拌下得到均匀分散的镍-改性石墨烯复合镀液；步骤4，电镀：以镍片为阳极，以预处理后的基材为阴极，置于镍-改性石墨烯复合镀液中，进行多组换向脉冲电镀，水浴温度为35～45℃，在搅拌下电镀，电镀结束后，水洗，干燥，得到镍-改性石墨烯复合镀层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的基材为任意形状的铁和不锈钢。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，除油溶液为氢氧化钠50～60g/L，碳酸钠7...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建亮，李航，熊党生，王俊，季钰娟，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32