高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法技术

本发明专利技术提供一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，包括以下步骤：步骤一：碳材料的预分散；步骤二：碳材料与金属基复合粉末的制备；步骤三：碳材料的二次分散。本发明专利技术利用阴离子型表面活性剂、磁力搅拌、超声振动以及湿法球磨多重作用，通过物理吸附、机械搅拌与动态干燥法相结合的方式高效预分散石墨烯，达到石墨烯与金属粉末充分接触、减少石墨烯在金属粉末中的团聚及干燥过程中石墨烯上浮的目的，本发明专利技术制备的熔覆层成形质量好，无夹杂气孔等缺陷，并且与基体形成良好的冶金结合，涂层的减摩耐磨性能极大地提高。该方法工艺简单易实施，成本低廉，且易于实现自动化，整个过程具有安全、高效、无污染、成本低的优点。

Method for dispersing carbon materials specially for high energy beam surface coating technology

The invention provides a dispersion method of carbon materials for high energy beam surface coating technology, which includes the following steps: first, pre-dispersion of carbon materials; second, preparation of carbon materials and metal-based composite powder; and third, secondary dispersion of carbon materials. The present invention utilizes the multiple functions of anionic surfactant, magnetic stirring, ultrasonic vibration and wet milling to efficiently pre-disperse graphene by combining physical adsorption, mechanical stirring and dynamic drying, so as to achieve full contact between graphene and metal powder, reduce agglomeration and drying of graphene in metal powder. In order to float graphene in the process, the cladding layer prepared by the invention has good forming quality, no inclusion pore and other defects, and forms a good metallurgical bond with the matrix, thus greatly improving the friction reduction and wear resistance of the coating. The process is simple, easy to implement, low cost and easy to realize automation. The whole process has the advantages of safety, high efficiency, pollution-free and low cost.

【技术实现步骤摘要】
高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法
本专利技术涉及一种碳材料的分散方法，尤其涉及一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，属于表面工程领域。
技术介绍
近年来，碳材料作为增强相制备金属基复合材料的研究日益广泛，其中以碳纤维、碳纳米管及石墨烯的研究为主流。由于碳材料具有高强度、高模量、低密度、小的热膨胀系数、良好的导热导电性能等，既能作为功能材料应用于电镀、化学镀等冷加工领域，制备电极材料、析氢材料等，又能借助其细晶强化、位错强化及应力分散效应将碳材料与高能量技术相结合，提升基础材料的物理性能、机械性能、力学性能等。特别是目前研究热度最高的石墨烯，其作为最薄的二维原子晶体结构，强度为普通钢的100倍，具有优异的力学性能，被认为是复合材料的理想增强体。激光作为高能量束的代表之一，目前在焊接、表面工程、涂层、强化与增材制造以及材料复合加工技术等领域显示出了强劲的技术推动势头。由激光高能量兴起的激光熔覆技术，作为一种先进的表面工程技术，具有优质、高效、节能、节材、环保等优点，目前已应用于航空航天、船舶工程、汽车制造等领域，且显示出了无法比拟的优势。在充分发挥激光熔覆技术的优越性或者潜能的同时，针对不同应用性能开发不同熔覆专用金属粉末的研究热度也因此高涨起来。将碳材料的特有属性与激光技术的先进性融合起来，能够赋予金属涂层更加优异或者更加独特的性能。申请号为201610362377.0的专利文件中公开的“一种激光熔覆制备纳米碳管增强涂层的方法”中，将碳纳米管或石墨烯进行表面镀膜处理，通过球磨方式与镍基高温合金粉混合得到复合粉末，利用激光熔覆技术制得熔覆层，有效提高了熔覆层的各项力学性能；申请号为201410363227.2的专利文件中公开的“增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法”中，将纯化后的碳材料与金属粉体通过机械搅拌混合，通过气雾化处理制备复合材料，制得的粉体材料的激光吸收率显著提高，达70％。尽管碳材料用于金属基复合材料的研究热度很高，但由于碳材料极易团聚、不易分散，导致金属粉末与碳材料之间的混合问题成为了研究难点。一些研究报道中利用球磨的方式长时间对混合粉体进行干法混合，其主要借助高能输入使金属粉体反复变形、冷焊及破碎达到分散碳材料的目的，但该方法极易引入氧化物等杂质，而且使碳材料的本征结构造成损伤；利用机械搅拌及湿法球磨后静置干燥得到碳材料/金属基混合粉体的方法目前应用得比较多，但该方法也存在不足，单纯的机械搅拌并不能完全使碳材料特别是纳米级的石墨烯及碳纳米管分散开，而且后期采用的静置干燥法会导致质量极轻的纳米碳材料上浮至混合粉体表层，在高能束表面涂层技术作用下极易造成表层的碳材料被保护气体吹飞，造成混合粉末中碳材料的丢失，情况轻者影响制备出的涂层的各项性能，重者使得研究失去了原有的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了制备过程简单，绿色环保，成本低廉，高效便捷，可以实现产业化生产而提供一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法。本专利技术的目的是这样实现的：一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，包括以下步骤：步骤一：碳材料的预分散；将表面活性剂溶于酒精中，搅拌至充分溶解后加入碳材料，超声震荡1h，得到碳材料悬浮液，然后将碳材料悬浮液静置24h，继续超声1h～2h，得到颜色均匀的碳材料悬浮液；步骤二：碳材料与金属基复合粉末的制备；按照金属粉末与石墨烯分散液以1g:4mL的比例混合，利用磁力搅拌器搅拌1h～4h，使金属粉末与碳材料混合液体充分接触，所述金属粉末的粒径为40μm～70μm；将得到的混合液移置球磨罐中，加入不锈钢球，所述不锈钢球与金属粉质量的比为4：1～6:1，采用行星式球磨机球磨4h，然后将球磨后的混合液体倒入容器中，采用动态干燥法，将容器置于80℃的水浴锅中，持续机械搅拌至酒精全部蒸发，得到干燥的碳材料与金属基复合粉末；步骤三：碳材料的二次分散；在基体板材表面涂覆碳材料与金属基复合粉末，然后置于充氩仓中，涂层制备的过程中，对熔池中的碳材料施加超声波进行二次分散。本专利技术还包括这样一些特征：1.所述碳材料为石墨烯、碳纳米管、碳纤维或晶须；2.所述金属粉末为Ni基自熔性粉末、Co基自熔性粉末、镁合金粉末或铝合金粉末；3.所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠；4.所述表面活性剂浓度为0.1g/L～0.3g/L。本专利技术的目的是针对上述
技术介绍
及存在的相关问题，提出一种用于高能束表面涂层技术(如激光熔覆、等离子熔覆以及热喷涂技术)专用碳材料的新型分散方法，包括碳材料的预分散方法以及涂层制备过程中的二次分散方法，该分散方法制备过程简单，绿色环保，成本低廉，高效便捷，可以实现产业化生产。本专利技术主要借助物理吸附作用，利用溶解有阴离子表面活性剂的酒精液体预分散碳材料，超声振荡进而得到碳材料悬浮液；然后将金属粉末置于碳材料悬浮液中磁力搅拌，静置浸润，最后湿法球磨得到均匀分散的碳材料/金属基混合液体，改变以往的静置干燥模式，采用动态干燥方法(即利用水浴锅控制温度，使混合液体在持续不断地的机械搅拌作用下挥发干燥)制得混合均匀的碳材料/金属基复合粉末；此外，涂层制备过程中二次利用超声波作用熔池，进一步分散涂层中的碳材料，最终得到成形质量良好、无缺陷、具有优良减摩性能的碳材料增强金属基涂层；适用于石墨烯、碳纳米管、碳纤维、晶须等易团聚的碳材料；适用于Ni基自熔性粉末、Co基自熔性粉末、高温合金、镁合金、铝合金等金属粉末；采用浓度为0.1g/L～0.3g/L的阴离子表面活性剂(十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠)溶液分散碳材料，经超声1h后静置24h，然后再超声1h～2h，得到分散均匀的碳材料悬浮液；碳材料/金属基混合粉末经磁力搅拌1h后置于球磨罐中，球与粉末比重为4:1～6:1，球磨4h，然后将球磨后的浆液置于80℃的水浴锅中持续机械搅拌直至酒精全部蒸发；在预置涂层两侧均施加超声波发射装置，对初始熔池进行作用，利用超声波对熔池进行搅拌，达到涂层中碳材料的二次分散。本专利技术利用物理吸附、超声振动及机械搅拌预分散碳材料，辅助湿法球磨以及动态干燥法的多重分散方式制得碳材料/金属基复合粉末；涂层制备过程中施加超声波进行碳材料的二次分散；本专利技术利用本专利技术制得的碳材料/金属基复合粉末制备的涂层成形质量好、无气孔裂纹等缺陷，碳材料的初始形态或其衍生产物在涂层中弥散分布，涂层组织得到细化，涂层性能优异；与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术所述分散碳材料的表面活性剂为十二烷基硫酸钠或十二烷基苯磺酸钠，其目的是提高碳材料在溶液中的分散性。由于十二烷基硫酸钠和十二烷基苯磺酸钠均属于阴离子型表面活性剂，当碳材料添加至其溶液中，可以在碳材料表面吸附，降低碳材料的比表面能，显著减弱碳材料的团聚现象，改善碳材料在溶液及悬浮液中的分散情况。本专利技术利用阴离子型表面活性剂、磁力搅拌、超声振动以及湿法球磨多重作用，通过物理吸附、机械搅拌与动态干燥法相结合的方式高效预分散石墨烯，达到石墨烯与金属粉末充分接触、减少石墨烯在金属粉末中的团聚及干燥过程中石墨烯上浮的目的。本专利技术在涂层制备过程中二次利用超声波，作用于熔池，进一步分散涂层中的碳材料，而且涂层制备全程采用充氩仓的保护方式，隔绝熔覆过程中预置涂层周围的空气，减少复合粉末中碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：碳材料的预分散；将表面活性剂溶于酒精中，搅拌至充分溶解后加入碳材料，超声震荡1h得到碳材料悬浮液，然后将碳材料悬浮液静置24h，继续超声1h～2h，得到颜色均匀的碳材料悬浮液；步骤二：碳材料与金属基复合粉末的制备；按照金属粉末与碳材料分散液以1g:4mL的比例混合，利用磁力搅拌器搅拌1h～4h，使金属粉末与碳材料混合液体充分接触，所述金属粉末的粒径为40μm～70μm；将得到的混合液移置球磨罐中，加入不锈钢球，所述不锈钢球与金属粉质量比为4：1～6:1，采用行星式球磨机球磨4h，然后将球磨后的混合液体倒入容器中，采用动态干燥法，将容器置于80℃的水浴锅中，持续机械搅拌至酒精全部蒸发，得到干燥的碳材料与金属基复合粉末；步骤三：碳材料的二次分散；在基体板材表面涂覆碳材料与金属基复合粉末，然后置于充氩仓中，涂层制备的过程中，对熔池中的碳材料施加超声波进行二次分散。

【技术特征摘要】
1.一种高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，其特征是，包括以下步骤：步骤一：碳材料的预分散；将表面活性剂溶于酒精中，搅拌至充分溶解后加入碳材料，超声震荡1h得到碳材料悬浮液，然后将碳材料悬浮液静置24h，继续超声1h～2h，得到颜色均匀的碳材料悬浮液；步骤二：碳材料与金属基复合粉末的制备；按照金属粉末与碳材料分散液以1g:4mL的比例混合，利用磁力搅拌器搅拌1h～4h，使金属粉末与碳材料混合液体充分接触，所述金属粉末的粒径为40μm～70μm；将得到的混合液移置球磨罐中，加入不锈钢球，所述不锈钢球与金属粉质量比为4：1～6:1，采用行星式球磨机球磨4h，然后将球磨后的混合液体倒入容器中，采用动态干燥法，将容器置于80℃的水浴锅中，持续机械搅拌至酒精全部蒸发，得到干燥的碳材料与金属基复合粉末；步骤三：碳材料的二次分散；在基体板材表面涂覆碳材料与金属基复合粉末，然后置于充氩仓中，涂层制备的过程中，对熔池中的碳材料施加超声波进行二次分散。2.根据权利要求1所述的高能束表面涂层技术专用碳材料的分散方法，其特征是，所述碳材...

【专利技术属性】
技术研发人员：金国，张丹，崔秀芳，宋启良，郭楠，卢冰文，冯相如，董美伶，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23