一种金属-石墨烯复合涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属‑石墨烯复合涂层的制备方法，包括：首先制备金属‑石墨烯复合颗粒；然后将基体进行表面处理，利用热喷涂技术在基材表面制备复合涂层。本发明专利技术提供的金属‑石墨烯复合涂层的制备方法操作简单、成本低、效率高、适合工业化生产。本发明专利技术制得的金属‑石墨烯复合涂层结构致密，与基体结合良好，其厚度为10μm～10mm，具有耐腐蚀、耐摩擦、机械强度高、抗菌和防生物污损性能。在耐磨、防腐蚀、防生物污损领域具有良好的应用前景和经济效益。

A preparation method of metal graphene composite coating

The invention discloses a preparation method of metal graphene composite coating, which comprises: firstly, preparing metal graphene composite particles; secondly, surface treatment of the substrate; and preparation of composite coating on the substrate surface by thermal spraying technology. The preparation method of the metal graphene composite coating provided by the invention is simple in operation, low in cost, high in efficiency and suitable for industrial production. The metal graphene composite coating prepared by the present invention has compact structure and good bonding with the substrate. The thickness of the composite coating is 10um~10mm. It has corrosion resistance, friction resistance, high mechanical strength, antibacterial and biological fouling resistance. It has good application prospects and economic benefits in the field of wear resistance, corrosion prevention and biological fouling prevention.

【技术实现步骤摘要】
一种金属-石墨烯复合涂层的制备方法
本专利技术属于复合涂层制备
，具体涉及一种金属-石墨烯复合涂层的制备方法。
技术介绍
海水是一种强电介质溶液，再加上冻融、海雾、台风、暴雨、工业排放物等多重腐蚀环境的综合作用，造成了海洋腐蚀现象。据调查，我国因海洋腐蚀和污损造成的经济损失约占国民生产总值的4％。因此，针对海洋钢结构、船舶制造业，如何利用新工艺，提高海工装备性能，如何降低海水对钢结构、船体的侵蚀，如何减少海洋生物贴附引起的生物污损等问题，是行业亟待解决的问题。目前，多通过在海工装备材料的表面覆盖抗腐蚀、防污涂层以降低海水对海工装备的腐蚀，如专利CN102206797B公开了一种抗海洋与热腐蚀的复合涂层，以FeCrAlRE粉芯丝材，在钢基体上形成涂层，然后再在FeCrAlRE涂层上喷涂ZnAlMgRE粉芯丝材，制备双层表面防护涂层；专利CN105420656A公开了一种金属/聚合物复合涂层，采用化学镀及热喷涂法制备金属/聚烯烃或聚酰亚胺涂层，上述复合涂层的喷涂原料基本都无法以机械混合粉末直接作为喷涂原材料，因为各金属及金属和高分子熔点不匹配容易造成金属熔化不充分或高分子过烧等问题。石墨烯是一种单层的由碳原子组成的二维材料，其厚度仅为0.35nm，是目前人类已知的最薄的材料。石墨烯具有独特的几何形状和优异的物理性能，包括高比表面积、导电、导热以及良好的力学性能和自润滑性能，是理想的制备复合材料的添加物。金属基材料在人类生产生活中有着广泛应用，并且具有非常广泛的设计灵活性，可以作为增强填料，制备出性能优良的复合材料。目前，金属-石墨烯复合涂层的制备方法主要有化学气相沉积法、电沉积法及烧结法等，传统的制备或工艺复杂、设备昂贵，或生产成本较高、不宜工业化，或残余气体有毒有害，或薄膜面积小、不宜大规模生产成膜，或成膜基体受限等。因此，要实现金属-石墨烯复合涂层的大规模生产应用，亟需开发一种新型的低成本、高质量、大面积、适合工业化生产的涂层制备技术。球磨法又叫高能球磨法或机械球磨法，是生产纳米材料的有效方法。球磨过程中，球磨罐进行机械运动，球磨介质、球磨罐与材料粉末之间发生强烈的撞击、研磨、搅拌等一系列相互作用，最终形成多层结构的小颗粒复合材料。球磨法生产工艺较为简单、效率高、成本低廉，适合工业化生产。热喷涂技术是一种表面强化技术，是表面工程技术的重要组成部分，是适合工业化、大面积生产的表面技术。目前，没有用火焰喷涂方法制备金属-石墨烯复合涂层的研究先例。将球磨技术与热喷涂技术相结合，利用金属铝与石墨烯自身特点，开发一种低成本、产业化、自润滑、高耐磨的复合材料具有重要的应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供了一种金属-石墨烯复合涂层的制备方法，该方法具有操作简单、成本低、效率高、适合工业化生产等优点，由本专利技术提供的制备方法制得的金属-石墨烯复合涂层结构致密，与基体结合良好，具有耐腐蚀、耐摩擦、机械强度高、抗菌和防生物污损性能。所述金属-石墨烯复合涂层的制备方法，具体包括以下步骤：1)以机械球磨法制备金属-石墨烯复合颗粒；所述以机械球磨法制备金属-石墨烯复合颗粒，具体包括以下步骤：在球磨装置中加入石墨烯粉末、金属粉末、过程控制剂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速200～300rpm，球磨2～8h，得到石墨烯片层结构粘附于金属颗粒表面的金属-石墨烯复合颗粒；2)将基体进行表面除油、粗化处理；3)将步骤1)制备的金属-石墨烯复合颗粒通过火焰喷涂方法，在经步骤2)处理的基底表面上沉积成复合涂层，即得到金属-石墨烯复合涂层。所述的金属为铝、铜或镍，所述金属粉末的粒径为25～75um；所述石墨烯粉末的粒径为3～50um，其中石墨烯粉末的质量占金属粉末与石墨烯粉末总重量的0.1～1.0％。作为优选，所述的金属粉末为铝粉或铜粉；所述的石墨烯粉末为还原氧化石墨烯粉末，且还原氧化石墨烯粉末的质量占金属粉末与氧化还原石墨烯粉末总重量的0.1～0.5％。石墨烯含量过少，复合涂层的性能无法提高；含量过高，涂层中的石墨烯与金属基质间会产生裂纹，影响涂层质量。由于金属铝的塑性较好，球磨过程中的剧烈碰撞会导致铝粉被挤压成片黏附在磨球和罐壁表面，故需加入过程控制剂减缓碰撞强度，调整冷焊与破碎的平衡。作为优选，所述的过程控制剂为硬脂酸，所述硬脂酸的加入量为金属粉末和石墨烯粉末总重量的1～2％。所述的磨球为与的不锈钢磨球，其中，与的不锈钢磨球的比例为2～3:1，球料比为9～15:1。作为优选，所述的球磨装置的材质为不锈钢。所述基体为Q235钢、Q345钢、45钢、304不锈钢、316不锈钢或铸铁；作为优选，所述的基体为Q235钢。所述的粗化方法为喷砂、车螺纹、滚花或电拉毛。所述火焰喷涂方法的工艺参数为：助燃气为氧气、燃气为乙炔、辅助气为压缩空气，其中压力分别为0.2～1.0MPa，0.01～0.4MPa，0.3～6.0MPa，送粉速率为10～100g/min，喷涂距离为100～300mm，火焰喷枪移动速度50～400mm/s，涂层喷涂次数1～30遍。火焰喷涂的参数根据复合微球的粒径及金属特性调整，作为优选，所述的金属-石墨烯复合颗粒为25um～186um，所述的金属-石墨烯复合颗粒为铝-石墨烯复合颗粒；所述的火焰喷涂工艺参数为：助燃气为氧气，压力为0.5～0.6MPa；燃气为乙炔，压力为0.02～0.04MPa；辅助气为压缩空气，压力为0.35～0.45MPa；送粉速率为15～25g/min，喷涂距离为190～210mm，火焰喷枪移动速度190～210mm/s，涂层喷涂次数5～7遍。所述金属-石墨烯复合涂层厚度为10um～10mm；然而，金属-石墨烯复合涂层过薄无法达到保护基体的作用；该涂层过厚，在喷涂过程中涂层又容易脱落，作为优选，所述金属-石墨烯复合涂层的厚度为300um～1mm。本专利技术采用火焰喷涂金属-石墨烯复合颗粒的方法来制备金属-石墨烯复合涂层，所述金属-石墨烯复合颗粒中的石墨烯为片层结构，具有自润滑性，粘附在金属颗粒表面，能够显著提高金属颗粒的流动性，扩大喷涂工艺中金属种类、材料形状等的选择范围，提高喷涂效率。本专利技术制得的金属-石墨烯复合涂层结构致密，与基体结合良好，具有耐腐蚀、耐摩擦、机械强度高、抗菌和防生物污损性能。复合涂层中的石墨烯材料为片层结构，作为二维材料，能有效阻隔腐蚀介质与基体材料接触，提高涂层的耐腐蚀性能；作为自润滑材料，能提高涂层的摩擦学性能；作为抗菌剂，能让涂层起到杀菌、抗生物污损效果；金属-石墨烯复合涂层中的金属材料机械强度高、硬度大、可塑性强，石墨烯片层粘附在金属颗粒表面，共同作为增强相，可有效提高涂层的机械强度。本专利技术制得的金属-石墨烯复合涂层在耐磨、防腐蚀、防生物污损领域具有良好的应用前景和经济效益。与传统的制备技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)可在多种基材表面制备均匀、致密的涂层，与基体结合良好，能够有效地防污损与防腐蚀性能，可应用于航空航天、工业生产以及海洋工程零部件等需要耐磨损、耐腐蚀场合。(2)本专利技术提供的制备方法，设备成本低，工艺简单，效率高，适合现场施工，喷涂不受工件尺寸及形状的限制，适合工业化生产。附图说明图1为本专利技术实施例1～5金属-石墨烯复合涂层的制备流程图；图2为本专利技术实施例1中制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属‑石墨烯复合涂层的制备方法，包括：1)以机械球磨法制备金属‑石墨烯复合颗粒，具体包括以下步骤：在球磨装置中加入石墨烯粉末、金属粉末、过程控制剂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速200～300rpm，球磨2～8h，得到石墨烯片层结构粘附于金属颗粒表面的金属‑石墨烯复合颗粒；2)将基体进行表面除油、粗化处理；3)将步骤1)制备的金属‑石墨烯复合颗粒通过火焰喷涂方法，在经步骤2)处理的基底表面上沉积成复合涂层，即得到金属‑石墨烯复合涂层。

【技术特征摘要】
1.一种金属-石墨烯复合涂层的制备方法，包括：1)以机械球磨法制备金属-石墨烯复合颗粒，具体包括以下步骤：在球磨装置中加入石墨烯粉末、金属粉末、过程控制剂及磨球，并充入惰性保护气体，以转速200～300rpm，球磨2～8h，得到石墨烯片层结构粘附于金属颗粒表面的金属-石墨烯复合颗粒；2)将基体进行表面除油、粗化处理；3)将步骤1)制备的金属-石墨烯复合颗粒通过火焰喷涂方法，在经步骤2)处理的基底表面上沉积成复合涂层，即得到金属-石墨烯复合涂层。2.根据权利要求1所述的金属-石墨烯复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的金属为铝、铜或镍，所述金属粉末的粒径为25～75um；所述石墨烯粉末的粒径为3～50um，其中石墨烯粉末的质量占金属粉末与石墨烯粉末总重量的0.1～1.0％。3.根据权利要求2所述的金属-石墨烯复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯粉末为还原氧化石墨烯粉末，且还原氧化石墨烯粉末的质量占金属粉末与还原氧化石墨烯粉末总重量的0.1～0.5％。4.根据权利要求1所述的金属-石墨烯复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的过程控制剂为硬脂酸，其加入量为金属粉末和石墨烯粉末总重量的1～2％。5.根据权利要求1所述的金属-石墨烯复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的磨球为与的不锈钢磨...

【专利技术属性】
技术研发人员：所新坤，徐玉婷，黄晶，刘奕，龚永峰，周平，李华，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33