一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法技术

一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，包括：对碳纳米管或石墨烯进行表面镀膜处理，将所得表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯通过混粉加入冷喷涂材料，形成复合粉末，将所得复合粉末通过超音速激光沉积喷涂到基材的表面，形成致密的涂层；本发明专利技术的制备方法使得碳纳米管或石墨烯能够高效、均匀地分布在涂层中，从而有效提高涂层的各项力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法
本专利技术涉及材料表面加工领域，特别是涉及一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的工艺技术方法。
技术介绍
冷喷涂(coldspray，CS)是一种基于空气动力学与高速碰撞动力学原理的涂层制备方法，其原理是将细小粉末颗粒(5～50μm)送入高速气流(300～1200m/s)中，经拉瓦尔喷嘴加速，在完全固态下高速撞击基体，产生较大的塑性变形后沉积于基体表面，从而形成涂层。相对于激光熔覆、热喷涂等高热输入的涂层制备技术而言，冷喷涂技术由于其低热输入的特性对基体与粉末材料的热影响小，制备涂层的化学成分及显微组织结构可与原材料保持一致，特别适用于制备温度敏感、氧化敏感及相变敏感材料涂层(如纳米材料、非晶材料、Ti、Cu等)。但由于其涂层的沉积完全依靠喷涂颗粒的塑性变形，故目前文献报道的冷喷涂涂层主要以低硬度材料为主。而在利用冷喷涂技术沉积高硬度材料时，必须以氦气为工作载气，成本较高，且沉积层的致密性较差，结合强度较低。针对冷喷涂技术存在的问题，国外学者提出了超音速激光沉积技术(supersoniclaserdeposition，SLD)，也称激光辅助冷喷涂(laserassistedcoldspray，LACS)。该技术是将冷喷涂与激光加热相结合的一种新型涂层制备方法，在冷喷涂的过程中利用激光同步加热喷涂粉末和基体表面，使二者软化但不熔化，提高了喷涂粉末和基体表面的塑性变形能力，可将冷喷涂颗粒的临界沉积速度降至原来的一半，因此可在以N2为载气的情况下实现高硬度材料涂层的制备，大大拓展了冷喷涂技术可沉积材料的范围，降低了冷喷涂技术的成本和能耗。铜具有优良的导电和导热性能，仅次于金、银居于第三位，在电工电子及导电相关的其他工业领域中有着广泛的应用。但是铜属于面心立方晶体，无同素异晶转变，强度低、热膨胀系数大、高温下易软化变形，不易直接用作结构材料，使其应用受到了很大的限制。随着科学技术的发展，人们对铜的性能要求越来越高，因此铜基复合材料应运而生。碳纳米管与石墨烯独特的准一维结构使它具有优良的力学、电学、热学和催化性能和低的密度，因而，它无疑是是理想的复合材料增强体。将碳纳米管与铜复合有望制备出高的导电、导热、高力学性能和低的热膨胀系数的铜基复合材料。但由于碳纳米管或石墨烯的质量非常轻，塑性变形能力差，造成了涂层的沉积率极低。因此，本专利技术对碳纳米管或石墨烯表面进行镀膜处理，让易塑性变形的镀层包裹着碳纳米管或石墨烯进行变形沉积，能够使碳纳米管或石墨烯易于在涂层中均匀分散，同时提高碳纳米管或石墨烯在涂层中的界面结合力，并且碳纳米管和石墨烯的综合性能优异，从而提升涂层的各项力学性能。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术提供了一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，该方法使碳纳米管或石墨烯均匀高效地加入到超音速激光沉积涂层中，从而改善涂层的力学性能。本专利技术的技术方案如下：一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，包括如下步骤：(1)对碳纳米管或石墨烯进行表面镀膜处理，使碳纳米管或石墨烯表面包覆致密的镀层；所述镀层的熔点低于碳纳米管或石墨烯，镀层和碳纳米管或石墨烯的质量比为99～200：1；所述镀层的材质为Cu、Ni、Al等易塑性变形的金属或非金属；所述表面镀膜处理可以为电镀、化学镀、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)中的任意一种；(2)将步骤(1)得到的表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯通过混粉加入冷喷涂材料，形成复合粉末；所述冷喷涂材料为Cu、Ni、Al等易塑性变形的金属粉末；所述混粉为球磨混粉，球磨混粉能够使表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯在冷喷涂材料的粉末粒子表面均匀分散；所述表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯在复合粉末中的质量百分比为1％-5％；(3)将步骤(2)得到的复合粉末通过超音速激光沉积喷涂到基材的表面，形成致密的涂层；所述基材为任意形状的Cu、Al、Ti等材料，基材在喷涂之前经过预处理，所述预处理的方法为喷砂粗化或超声波表面清洗；所述超音速激光沉积方法采用半导体激光，波长为960～1100nm，功率密度3～5×105W/cm2，激光功率为500～3000W，喷涂距离为30mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为30～60g/min，载气预热温度为500℃，载气压力为4MPa，载气为压缩空气或氮气中的一种。本专利技术解决了碳纳米管或石墨烯质量轻、基体中的湿润性差、直接喷涂沉积率极低的问题，使得碳纳米管或石墨烯能够高效、均匀地分布在涂层中。镀层能够加大碳纳米管或石墨烯的重量，并且表面的物质塑性变形沉积，能够使碳纳米管或石墨烯易于在涂层中均匀分散，同时提高碳纳米管或石墨烯在涂层中的界面结合力，并且碳纳米管或石墨烯的综合性能优异，从而提升涂层的各项力学性能。本专利技术具有如下有益效果：1.本专利技术的制备方法使得碳纳米管或石墨烯能够高效、均匀地分布在涂层中，从而有效提高涂层的各项力学性能。2.本专利技术的制备方法在碳纳米管或石墨烯表面镀一层镀层，镀层能够加大碳纳米管或石墨烯的重量，并且表面的物质塑性变形沉积形成涂层，能够使碳纳米管或石墨烯易于在涂层中均匀分散，同时提高碳纳米管或石墨烯在涂层中的界面结合力。3.本专利技术的制备方法中，由于镀层在沉积的过程中碳纳米管或石墨烯的表面形成少量的化学结合，因而可以增加冷喷过程中碳纳米管或石墨烯与涂层之间的润湿性，提高其在涂层中的界面结合力。同时，表面润湿性的增加，可以减少碳纳米管或石墨烯的团聚，提高其在涂层中的均匀分散。附图说明图1为本专利技术的工艺路线图。图2为本专利技术实施例的碳纳米管的微观形貌图。图3为本专利技术实施例的表面经化学镀铜的碳纳米管(Cu-CNTs)的形貌图。图4为本专利技术实施例的铜和Cu+(Cu-CNTs)经超音速激光沉积制备的涂层的2000倍SEM形貌图。图5为图4中的颗粒3的20000倍SEM形貌图。图6为图4中的颗粒4的20000倍SEM形貌图。图7为本专利技术实施例的纯铜同参数下经超音速激光沉积制备的纯铜涂层金相图。图8为其他文献中通过纯铜表面铺粉后激光熔覆制备的Cu-CNTs熔覆层形貌。图9为其他文献中通过冷喷涂制备的Cu-CNTs复合涂层形貌。具体实施方式下面结合附图通过具体实施例进一步详细描述本专利技术。应理解，实施方式只是为了举例说明本专利技术，而非以任何方式限制本专利技术的保护范围。实施例1如图1所示，本专利技术公开的一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，包括以下步骤：步骤一：对碳纳米管(CNT)1或石墨烯(graphene)进行表面镀膜处理，其中表面镀膜可以通过电镀、化学镀、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)等方法实现，形成表面包覆有致密镀层M的碳纳米管或石墨烯(M-CNTs/graphene)。其表面镀层根据实际需要，可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)对碳纳米管或石墨烯进行表面镀膜处理，使碳纳米管或石墨烯表面包覆致密的镀层；/n所述镀层的熔点低于碳纳米管或石墨烯，镀层和碳纳米管或石墨烯的质量比为99～200：1；/n(2)将步骤(1)得到的表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯通过混粉加入冷喷涂材料，形成复合粉末；/n所述表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯在复合粉末中的质量百分比为1％-5％；/n(3)将步骤(2)得到的复合粉末通过超音速激光沉积喷涂到基材的表面，形成致密的涂层；/n所述超音速激光沉积方法采用半导体激光，波长为960～1100nm，功率密度3～5×10

【技术特征摘要】
1.一种超音速激光沉积制备纳米碳管增强涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)对碳纳米管或石墨烯进行表面镀膜处理，使碳纳米管或石墨烯表面包覆致密的镀层；
所述镀层的熔点低于碳纳米管或石墨烯，镀层和碳纳米管或石墨烯的质量比为99～200：1；
(2)将步骤(1)得到的表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯通过混粉加入冷喷涂材料，形成复合粉末；
所述表面包覆镀层的碳纳米管或石墨烯在复合粉末中的质量百分比为1％-5％；
(3)将步骤(2)得到的复合粉末通过超音速激光沉积喷涂到基材的表面，形成致密的涂层；
所述超音速激光沉积方法采用半导体激光，波长为960～1100nm，功率密度3～5×105W/cm2，激光功率为500～3000W，喷涂距离为30mm，扫描速度为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚建华，孙景勇，李波，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33