一种碳钢复合材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种碳钢复合材料及其制备方法和用途。本发明专利技术利用含有碳原子数为3～20并含有至少一个非碳非氢元素原子，且碳原子和非碳非氢元素的原子数量比为1.5:1～10:1的有机化合物为碳源，以碳钢基体为衬底进行化学气相沉积，得到一种表面均匀连续分布石墨烯膜层的碳钢复合材料，所述材料具有较强的耐腐蚀和疏水能力，能够用作耐腐蚀材料、防冰材料和/或疏水材料。所述化学气相沉积的方法能够有效减少制备工序、降低成本并减少废料排放，提高产品的良品率。同时，所述的化学气相沉积方法对于碳钢基体的形状体积无任何限制，能够满足对碳钢器件表面整体进行石墨烯膜层包覆的技术需求。

A Carbon Steel Composite Material and Its Preparation Method and Application

The invention relates to a carbon steel composite material, a preparation method and a use thereof. A carbon steel composite material with uniformly and continuously distributed graphene film on the surface is obtained by chemical vapor deposition on a carbon steel substrate using an organic compound with a carbon atom number of 3-20 and at least one non-carbon and non-hydrogen atom number ratio of 1.5:1-10:1 as a carbon source, and an organic compound with a carbon atom and a non-carbon and non-hydrogen atom number ratio of 1.5:1-10:1. It can be used as corrosion resistant material, anti-icing material and/or hydrophobic material. The chemical vapor deposition method can effectively reduce the preparation process, reduce the cost, reduce the waste discharge and improve the product yield. At the same time, the chemical vapor deposition method has no restriction on the shape and volume of carbon steel matrix, and can meet the technical requirements of graphene film coating on the surface of carbon steel devices as a whole.

【技术实现步骤摘要】
一种碳钢复合材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及复合材料领域，尤其涉及一种碳钢复合材料及其制备方法和用途。
技术介绍
碳钢主要指碳的质量分数小于2.5％且不含有特意加入的合金元素的铁碳合金，也称为普碳钢或碳素钢。碳钢除含碳之外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。由于自身性能和加工条件的限制，传统碳钢材料具有热硬性差和淬透性低等缺点，即当温度大于200℃时，其硬度和耐磨性会急剧下降，并且在水淬时易变形开裂。同时，由于碳的存在，在高盐或者酸碱性环境下，碳钢材料容易发生电化学腐蚀，造成强度下降，降低其使用寿命。近年来，由于石墨烯材料具有的独特的电学、热学、光学以及机械力学等性能而备受科学界及工业界的关注，将其应用在复合材料制备领域中，利用碳材料本身的惰性和石墨烯材料的高强度特性，能够达到十分显著的耐腐蚀和增强增韧效果。因此，在碳钢材料表面沉积石墨烯膜层不失为一个提高碳钢性能，改善其缺点的有效方法。目前在碳钢材料表面制备石墨烯膜层的方法主要有两种，即电泳沉积法和化学气相沉积法。电泳沉积法是通过在稳定的悬浮液中利用直流电场的静电作用，使胶体粒子沉积在目标材料表面的一种工艺。化学气相沉积法是利用易分解化合物如金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等在高温下的热分解，产生活性基团进行气相反应，在氢或其他还原介质的高温还原下析出金属、氧化物、碳化物等无机材料并沉积在目标金属表面一种工艺。两种方法各有优劣。电泳沉积法使用领域更广，反应条件不苛刻，对于碳钢材料的选择性好，得到的涂层附着力强。但是，利用电泳沉积法制备碳钢-石墨烯复合材料也具有诸多缺点，例如，CN105177679B中通过以分散后的石墨烯胶体溶液为电解液，以铂电极为正极，以经过表面处理的碳钢为负极，利用电泳沉积的方法在正负极间施加30～120V/cm的电场，进行电泳沉积，再将沉积有石墨烯涂层的碳钢基体经过真空干燥处理，得到具有石墨烯涂层的碳钢材料。上述方法中使用的石墨烯需要利用浓盐酸进行H+掺杂处理，为了形成石墨烯胶体也需要选用特定的有机溶剂作为分散液，所述碳钢基体表面也需要进行表面处理，同时，该方法是将石墨烯纳米片层通过电化学沉积的方法吸附于碳钢基底表面，因此，所制备的沉积层的厚度及均匀性难以保证，并且沉积层与碳钢基底之间的结合力较弱，容易出现剥离现象。而且，上述电泳沉积工艺在实际生产中存在工艺繁琐、制备时间长、易产生有害废水废渣等缺点。与电泳沉积法相比，由于铁元素与碳元素之间存在很强的相互作用，碳在铁中具有很强的溶解性，在工业中通过化学气相沉积法在钢铁材料表面生长石墨烯一直以来是一个很大的挑战，因为高温下碳的溶解会影响石墨烯在金属基底表面成核，进而生长石墨烯。即使在某些条件下可以生长石墨烯，制备出的样品也是具有大量缺陷的石墨烯或氧化石墨烯小片层，而非高质量的、连续的石墨烯薄膜。同时在化学气相沉积制备石墨烯的过程中，碳元素非常容易扩散至铁中，影响碳钢的含碳量，导致碳钢性能改变。为了解决上述问题，本领域大都在碳钢表面镀膜后进行石墨烯的沉积，如CN107034498A公开了一种石墨烯钢基合金的制备方法，通过将钢金属基底表面进行清理，并放入酸液中活化，之后在表面电镀镍层和铜层，将电镀后的钢金属基底烘干，在800～1050℃下进行高温化学气相沉积工艺，得到石墨烯钢基合金。所述方法制备的产品石墨烯表面分布较电泳沉积法制备的产品更为均一致密，但是表面电镀步骤工艺复杂、成本较高，同样不适用于大规模生产。综上所述，为了更好的利用化学气相沉积法将石墨烯生长于金属表面，本领域需要开发一种新型化学气相沉积工艺来直接制备碳钢-石墨烯复合材料，使得在气相沉积前无需对碳钢基体表面进行表面处理，以达到减少有害废水废渣产生、减少工艺步骤和工艺时间、降低生产成本的技术目的。同时，所制备的碳钢-石墨烯复合材料应具有结构强度大、耐酸碱盐腐蚀、石墨烯膜层分布均一连续等技术效果。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种碳钢复合材料，所述碳钢复合材料包括碳钢基体，以及直接包覆在所述碳钢基体表面的石墨烯膜层。所述的碳钢基体表面不经过任何形式的物理处理或化学处理步骤，包括但不限于物理研磨、高温淬火、化学涂覆、电镀镀层等表面处理步骤。所述“直接包覆”可以理解为石墨烯膜层与碳钢之间不存在任何其他膜层，包括任何形式中间层，包括但不仅限于电镀涂层、化学镀涂层、表面掺杂层、气相沉积层、电泳沉积层、物理吸附层、化学吸附层、离子溅射层等，示例性的如镍层、铜层等，所述中间层的存在对于石墨烯膜层的包覆稳定性存在不利的影响。优选地，所述碳钢基体表面和石墨烯膜层之间不含有除了碳元素、铁元素和氧元素之外的其他元素，所述的其他元素现有技术中可能会用来作为基底沉积石墨烯。本专利技术提供的碳钢复合材料，其在碳钢表面直接沉积有石墨烯膜层，其中间不具有任何中间层。优选地，所述石墨烯膜层的厚度为1nm～500nm，例如2nm、4nm、10nm、20nm、50nm、100nm、200nm、400nm、450nm、490nm等，所述石墨烯过薄，连续性变差，随着石墨烯膜层变厚，耐腐蚀性能和疏水性能越好，石墨烯膜层过厚会导致石墨烯层间滑移，减低石墨烯膜层均匀性。优选地，所述石墨烯膜层中石墨烯的碳氧比大于15，例如16、17、18、19、20、21、22、23、24、25等，所述碳氧比依据本领域技术人员所公知的，可以通过光电子能谱仪(XPS)测试得到的C1s峰和O1s峰的峰高之比得到，碳氧比越大，石墨烯的晶体结构更完整，晶格缺陷越少，相应的，其导电、导热、力学和耐化学腐蚀性能越好。优选地，所述石墨烯膜层均匀连续分布在碳钢基体表面。所述石墨烯膜层分布的均匀性和连续性可以依据本领域技术人员所公知的拉曼光谱面扫描法测试，即利用拉曼光谱仪对材料表面包覆的石墨烯进行测试，在材料表面随机选取至少一个100μm×100μm的测量区间，可以根据碳钢材料面积的不同选取多个测量区间，在测量区间内每隔1～5μm的任意位置随机取面积为1μm×1μm的区域进行测量，观察石墨烯在1340cm-1波长处的缺陷峰(D峰)、在1548cm-1波长处的第一结晶峰(G峰)以及在2680cm-1波长处的第二结晶峰(2D峰)。石墨烯膜层分布的均匀性可以通过计算任意位置的G峰与2D峰的峰高之比得到，当石墨烯为单层分布时，G峰与2D峰的峰高之比<0.5，当石墨烯为多层分布时，G峰与2D峰的峰高之比>1。石墨烯膜层分布的连续性可以通过将上述任意位置测量得到的G峰与2D峰的峰高之比制成二维分布图，观察是否有偏差值较大的点出现，如果各个测试位置处的石墨烯拉曼光谱的G峰与2D峰的峰高之比比值的极差＜0.5，说明石墨烯在碳钢基底表面分布均匀且连续。对于所述碳钢基体中各元素组分的配比可依据具体生产中使用的碳钢基体材料中各元素组分的配比决定，在此不做进一步的限定，仅说明若干优选配比。由于镍元素的大量引入会导致气相沉积法制备石墨烯的生长机理发生改变，并提高碳钢基体的制造成本，故本专利技术中所述碳钢基体中镍元素的含量应该尽可能少。优选地，所述碳钢基体中铁元素的质量百分数≥90％，例如91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％、98％、99％、100％等，碳元素的质量百本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳钢复合材料，其特征在于，所述碳钢复合材料包括碳钢基体，以及直接包覆在所述碳钢基体表面的石墨烯膜层。

【技术特征摘要】
1.一种碳钢复合材料，其特征在于，所述碳钢复合材料包括碳钢基体，以及直接包覆在所述碳钢基体表面的石墨烯膜层。2.根据权利要求1所述的碳钢复合材料，其特征在于，所述石墨烯膜层的厚度为1nm～500nm；优选地，所述石墨烯膜层中石墨烯的碳氧比大于15；优选地，所述石墨烯膜层均匀连续分布在碳钢基体表面。3.根据权利要求1或2所述的碳钢复合材料，其特征在于，所述碳钢基体中铁元素的质量百分数≥90％，碳元素的质量百分数为0.5～2.5％，镍元素的质量百分数≤9％；优选地，所述碳钢基体中碳元素的质量百分数为0.5～2.2％，镍元素的质量百分数≤5％；进一步优选地，所述碳钢基体中碳元素的质量百分数为0.5％～2.11％，镍元素的质量百分数≤0.5％；更进一步优选地，所述碳钢基体中不含除铁以外的其他金属元素。4.一种如权利要求1～3之一所述的碳钢复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法为以含有非碳非氢元素的有机含碳化合物为碳源，以碳钢基体为衬底进行化学气相沉积，得到碳钢复合材料；所述含有非碳非氢元素的有机含碳化合物的碳原子数为3～20，非碳非氢元素的原子数≥1；所述含有非碳非氢元素的有机含碳化合物中，碳原子和非碳非氢元素的原子数量比为1.5:1～10:1。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述含有非碳非氢元素的有机含碳化合物的碳原子数为3～15，非碳非氢元素的原子数≤8，所述非碳非氢元素的原子为ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA族中非金属元素的原子中的任意一种或至少两种的组合；优选地，所述的含有非碳非氢元素的有机含碳化合物中碳原子数为3～10，非碳非氢元素的原子数≤3，所述非碳非氢元素的原子为氧原子、氮原子、硫原子、磷原子中的任意一种或至少两种的组合。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述非碳非氢元素的原子与至少两个有机基团通过化学键相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钰，段春阳，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11