表面具石墨烯涂层的材料及其涂层的制备方法以及耐磨件技术

本发明专利技术涉及涂层的制备技术领域，公开了表面具石墨烯涂层的材料及其涂层的制备方法以及耐磨件。涂层的制备方法，包括：在金属基材表面形成一层含催化剂层；利用热丝化学气相沉积法向反应腔室内通入有机气体和氢气，利用热丝产生的热源分解有机气体，在氢气的辅助下使反应腔室中裂解的碳原子吸附到含催化剂层表面形成自润滑石墨烯涂层。表面具石墨烯涂层的材料，采用上述的制备方法在金属基材表面形成自润滑石墨烯涂层。耐磨件，采用上述的材料制备而成，或采用上述制备方法在基材表面制得石墨烯涂层而得到。本申请提供的涂层的制备方法，能制得润滑性能好的石墨烯涂层，该方法实用性广。广。广。

【技术实现步骤摘要】
表面具石墨烯涂层的材料及其涂层的制备方法以及耐磨件


[0001]本专利技术涉及涂层的制备
，具体而言，涉及表面具石墨烯涂层的材料及其涂层的制备方法以及耐磨件。

技术介绍

[0002]据统计，地球上每年约有20％的能源消耗归因于摩擦，其中，耐磨器件大多采用液体或油脂润滑剂来消除摩擦和磨损，但较难满足超高低温、真空和辐射等恶劣环境的服役要求，而MoS2、石墨、六方氮化硼、类金刚石及石墨烯等固体润滑涂层可为耐磨器件提质延寿提供可选的方案。其中，石墨烯具有低剪切强度、高导热性、低表面能和优越的机械强度和化学稳定性，在控制摩擦磨损领域具有很大的应用价值。目前，石墨烯涂层的超润滑性只能在纳米尺度和微观尺度上实现，如何将其扩展到宏观层面是当今的一大挑战。
[0003]石墨烯涂层的制备方法包括物理法和化学法，物理法主要通过剥离得到纯度较高的石墨烯，操作简单，但耗时较长，无法应用于大规模工业生产中。化学法主要分为三种：氧化还原法、外延生长法与化学气相沉积法。氧化还原法是生长大面积石墨烯的主要制备方法，但生长缺陷较多，进而影响石墨烯的性能。外延生长法制备的石墨烯层数和厚度可通过温度控制，但石墨烯质量受碳化硅晶体影响较大，转移和分离过程复杂，无法满足大面积制备的需要。传统CVD管式炉气相沉积工艺可原位生长大面积石墨烯涂层，避免转移过程造成的污染和损耗，但制备温度一般高于800℃，容易导致耐磨器件基体材料发生相变，导致很多材料无法实现工程化。
[0004]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供表面具石墨烯涂层的材料及其涂层的制备方法以及耐磨件。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供一种自润滑石墨烯涂层的制备方法，包括：
[0008]在金属基材表面形成一层含催化剂层；
[0009]利用热丝化学气相沉积法向反应腔室内通入有机气体和氢气，利用热丝产生的热源分解有机气体，在氢气的辅助下使反应腔室中裂解的碳原子吸附到含催化剂层表面形成自润滑石墨烯涂层。
[0010]在可选的实施方式中，在金属基材表面形成一层含催化剂层的方式为：
[0011]在金属基材表面沉积一层金属催化剂层；
[0012]采用高温退火使金属基材与金属催化剂层之间固溶体置换从而形成一层合金化的含催化剂层。
[0013]在可选的实施方式中，金属催化剂为镍和铜中至少一种。
[0014]在可选的实施方式中，金属催化剂层的厚度为3～20μm。
[0015]在可选的实施方式中，金属催化剂层的平均晶粒粒径为1～12μm。
[0016]在可选的实施方式中，合金化的含催化剂层的厚度为6～12μm。
[0017]在可选的实施方式中，高温退火后形成的合金化的含催化剂层的平均晶粒粒径为4～11μm。
[0018]在可选的实施方式中，高温退火的方式为：以升温速率为8～20℃/min，升温至450～700℃，保温40～80min。
[0019]在可选的实施方式中，有机气体为甲烷。
[0020]在可选的实施方式中，金属基材为硬质合金或X70管线钢。
[0021]在可选的实施方式中，氢气流量为1000～2000sccm；有机气体的流量为5～12sccm，工作气压为100～500Pa，沉积时间为8～15min。
[0022]在可选的实施方式中，热丝化学气相沉积过程中，热丝为钽丝或钨丝，数量为2～24根，相邻两热丝间距10～40mm，每根热丝与金属基材距离为100
‑
200mm。
[0023]在可选的实施方式中，热丝化学气相沉积过程中，热丝的发热温度为1900～2500℃，控制金属基材的温度为500～700℃。
[0024]在可选的实施方式中，热丝化学气相沉积过程是在工作气压为100～500Pa下进行，沉积时间为8～15min。
[0025]在可选的实施方式中，形成自润滑石墨烯涂层后随炉冷却，冷却速率为3～6℃/min。
[0026]第二方面，本专利技术提供一种表面具石墨烯涂层的材料，采用如前述实施方式任一项的制备方法在金属基材表面制备自润滑石墨烯涂层而得到。
[0027]第三方面，本专利技术提供一种耐磨件，采用如前述实施方式的材料制备而成，或者采用如前述实施方式任一项的制备方法在金属基材表面制备自润滑石墨烯涂层而得到。
[0028]本专利技术具有以下有益效果：
[0029]本申请提供的涂层的制备方法，由于采用热丝化学气相沉积的方法在含催化剂层的表面沉积自润滑石墨烯涂层，利用氢气一方面作为表面结合碳的活化剂以促进石墨烯生长，实现石墨烯原位低温生长，避免了因转移而造成的污染和损耗等问题；另一方面起到刻蚀作用以避免石墨烯涂层许多边缘缺陷和相变的形成，使石墨烯涂层具有低缺陷、高质量、低摩擦系数和低磨损量等优势。而在涂层制备时能够控制金属基材的温度在800℃以下，这相较于现有的CVD管式炉气相沉积工艺适用性更广。此外，上述石墨烯涂层制备方法简单高效，可实现大规模工业生产，在耐磨器件上得到应用。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0031]图1为本申请提供的石墨烯涂层结构及沉积示意图；
[0032]图2为1000sccm氢气流量下石墨烯涂层的拉曼光谱图；
[0033]图3为1000sccm氢气流量下石墨烯涂层的摩擦系数曲线图；
[0034]图4为400sccm氢气流量下石墨烯涂层的拉曼光谱示意图；
[0035]图5为400sccm氢气流量下石墨烯涂层的摩擦系数曲线图。
具体实施方式
[0036]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0037]基于现有的传统CVD管式炉气相沉积工艺原位生长的石墨烯涂层的制备温度一般高于800℃，而大多数钢材的相变温度低于800℃，因此温度高于800℃容易导致耐磨器件基体材料发生相变，导致很多材料无法实现工程化。
[0038]采用热丝化学气相沉积的方法，有机气体可在高达2000℃的热丝处分解成碳源，扩散并吸附到基材表面原位生长石墨烯涂层，而基材处温度仍可控制在800℃以下，这为原位低温生长石墨烯涂层提供了参考。
[0039]但是，原位低温生长的石墨烯涂层容易存在较多的缺陷，并且厚度较薄，而石墨烯涂层的摩擦性能受缺陷大小的影响，并具有层数依赖性，其会因许多边缘缺陷和相变而丧失超滑性能，从而限制了该技术在耐磨器件上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自润滑石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，包括：在金属基材表面形成一层含催化剂层；利用热丝化学气相沉积法向反应腔室内通入有机气体和氢气，利用热丝产生的热源分解有机气体，在氢气的辅助下使反应腔室中裂解的碳原子吸附到所述含催化剂层表面形成自润滑石墨烯涂层。2.根据权利要求1所述的自润滑石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，在金属基材表面形成一层含催化剂层的方式为：在所述金属基材表面沉积一层金属催化剂层；采用高温退火使所述金属基材与所述金属催化剂层之间固溶体置换从而形成一层合金化的所述含催化剂层。3.根据权利要求2所述的自润滑石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述金属催化剂为镍和铜中至少一种；优选地，所述金属催化剂层的厚度为3～20μm；优选地，所述金属催化剂层的平均晶粒粒径为1～12μm；优选地，合金化的所述含催化剂层的厚度为6～12μm；优选地，高温退火后形成的合金化的所述含催化剂层的平均晶粒粒径为4～11μm。4.根据权利要求2所述的自润滑石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述高温退火的方式为：以升温速率为8～20℃/min，升温至450～700℃，保温40～80min。5.根据权利要求1所述的自润滑石墨烯涂层的制备方法，其特征在于，所述有机气体为甲烷；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：林松盛，范舒瑜，苏一凡，肖舒，石倩，韦春贝，唐鹏，张程，代明江，
申请(专利权)人：广东省科学院新材料研究所，
类型：发明
国别省市：