【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于耐摩擦耐磨损领域，具体涉及一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料及其制备方法和应用。
技术介绍
1、摩擦和磨损在生活中无处不在，而材料间的摩擦和磨损往往会带来能源和经济上的损耗，在现代工业中摩擦和磨损一直都是机械设备故障和材料失效的主要原因之一，由于机械零部件的摩擦磨损，导致金属部件受到损坏。解决这一问题最常见的方法主要有增加保护层，使用润滑剂和复合材料，其中最有效的方法是在金属表面增加保护层来减少摩擦，从而对金属材料起到保护作用。石墨烯由于其自身优异的力学特性、极低的摩擦系数、良好的机械性能、化学稳定性以及对环境污染较小的特点，可在作为固体润滑剂在金属表面形成保护层以减小摩擦，因此在金属防护领域有着十分广阔的应用前景。
2、高强度、极低摩擦系数的石墨烯为提高材料的减摩和耐磨特性提供了新的途径，目前在金属表面生长石墨烯最常见的方法是化学气相沉积法(cvd)生长石墨烯，这种方法可以在任意尺寸的金属表面进行大面积生长石墨烯膜，缺点在于所生长出的石墨烯膜与基底的结合力较差、膜厚度较薄且耗时长，同时涉及易燃易爆气体。液相法制备石墨烯膜同样也存在结合力不够的问题，无法对金属提供持久的保护。因此亟需开发一种高效低成本的可以在金属表面生长出高结合力、大面积、高品质且较厚的石墨烯薄膜的制备方法。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料及其制备方法和应用，以解决现有方法制得的石墨烯
2、为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
3、本专利技术公开了一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，在金属基体表面预置固态碳源，在保护气氛下，通过激光合金化工艺辐照金属基体表面预生长石墨烯籽晶，再通过化学气相沉积法生长石墨烯，得到石墨烯/金属耐磨材料。
4、优选地，所述金属基体包括镍基高温合金、高温钛合金、不锈钢、铜合金和铝合金。
5、进一步优选地，镍基高温合金包括inconel600、inconel601、inconel625、inconel718、inconel x750和incoloy800，高温钛合金包括tc4、tc6和ti811，铝合金包括2a16、2a17和2219。
6、优选地，固体碳源包括纳米碳粉、铅笔芯和固态聚苯乙烯。
7、优选地，固体碳源的粒径为20～100nm，预置层厚度为5～100μm。
8、优选地，保护气氛为氩气或氮气，流量为50～400g/min。
9、优选地，所述激光合金化工艺采用纳秒脉冲激光、光纤激光、co2激光或半导体激光，最高功率为10～500w。
10、优选地，激光合金化工艺的参数为：加工次数1～10次，光斑直径40～100μm，激光功率10～500w，激光频率30～500khz，扫描速度5～600mm/s，脉冲宽度50～350ns。
11、优选地，所述的化学气相沉积法的参数为：保温温度为1000～1200℃，通入气体的比例为ar:h2:ch4＝30:5:(1～12)，气态碳源的通入时间为5～60min，升温速率为10℃/min，降温速率为5℃/min。
12、优选地，气态碳源包括甲烷、乙炔、丙烷和石油气。
13、本专利技术还公开了上述制备方法制得的石墨烯/金属耐磨材料。
14、本专利技术还公开了上述石墨烯/金属耐磨材料在金属防护领域中的应用。
15、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
16、本专利技术公开了一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，首先在金属基体表面预置固态碳源，目的在于给石墨烯的生长提供碳原子；通过激光合金化工艺辐照预置了固态碳源的金属基体表面，进行原位预生长石墨烯籽晶，目的在于激光辐照的区域在激光关闭后，即刻在表面原位生成与基底呈冶金结合的石墨烯籽晶；再通过化学气相沉积法进行大面积生长石墨烯，化学气相沉积法可以解决激光技术不能大面积生长石墨烯的缺点，同时获得更厚的高质量、高结合力石墨烯膜，是一种高效的石墨烯生长方法，最终制备出膜基结合力强、大面积、高质量、均匀致密、层数多的石墨烯薄膜，可为基体提供持久有效的防护和性能提升。通过设计特定石墨烯生长工艺，即激光合金化工艺与化学气相沉积法复合工艺，有以下优势：第一，可实现在金属基底表面生长石墨烯，石墨烯作为独立涂层完全覆盖于金属基体表面，在提高石墨烯膜与金属基体的结合力的同时，充分发挥石墨烯具有极低的摩擦系数和优异的化学稳定性的特点，应对机械摩擦、磨损等造成的损伤。第二，制备的石墨烯薄膜与金属基底呈冶金结合，结合牢固，结合力强，接触表面是具有高机械强度、极低摩擦系数的石墨烯薄膜，使金属材料本身具有更好的耐摩擦耐磨损性能和机械强度。第三，激光合金化工艺制备的石墨烯薄膜不必再进行转移或通过旋涂与基底结合，大大增强了石墨烯膜的完整程度以及石墨烯膜与基底之间的结合强度。第四，通过化学气相沉积法可以大面积方便快捷地在预生长过石墨烯籽晶的金属表面再进行生长石墨烯，解决激光不能大面积生长的缺点，提高生产效率，使石墨烯膜成为有效的屏障，防止金属因摩擦失效，大大提升金属基体的耐摩擦耐磨损性能，减少因性能无法满足相应要求而造成的经济损失，也为石墨烯在耐摩擦耐磨损领域的应用提供了新的思路。第五，化学气相沉积法实现了在预生长过石墨烯籽晶的金属表面进行大面积可控生长，基于激光预生长所得的碳原子进行外延生长，得到膜基结合力强、大面积、高质量、均匀致密且较厚的石墨烯膜，为提高金属材料的耐摩擦耐磨损性能提供持久性保障。第六，充分发挥了石墨烯极低摩擦系数的优异性能，与金属基底之间的紧密结合，使得自身具有超高的抗摩擦能力，为基体提供了可靠的强度、耐磨损性和化学稳定性，可很大程度提升石墨烯/金属耐磨材料的使用寿命和安全性，降低因摩擦系数较大、磨损率较高而引起的巨大经济损失和安全事故发生率。因此，通过该方法得到的石墨烯/金属材料能够弥补现有材料因界面结合力较弱，以及提供润滑作用的石墨烯较少，无法满足耐磨材料的相应要求，从而发生损坏的缺点，大大延长金属材料的使用寿命，提升金属材料的耐摩擦磨损性能，为解决目前石墨烯在摩擦领域的应用的弊端提供理论依据和经验指导。
17、进一步地，设置的固态碳源粒径更容易溶解到基体当中，获得更高的过饱和固溶度，为石墨烯的生长提供碳源。激光预生长石墨烯籽晶的厚度可以通过涂覆固态碳源的厚度和激光参数来进行精确控制，是一种稳定、可控的制备方法。
18、进一步地，高功率连续激光可以在短时间内将合金基底加热到自身熔点，形成熔池，是一种高效的热加工手段。
19、本专利技术还公开了上述制备方法制得的石墨烯/金属耐磨材料，该石墨烯/金属耐磨材料充分发挥了石墨烯自身极低摩擦系数的特点，使得石墨烯/金属材料同时具备良好本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，在金属基体表面预置固态碳源，在保护气氛下，通过激光合金化工艺辐照金属基体表面预生长石墨烯籽晶，再通过化学气相沉积法生长石墨烯，得到石墨烯/金属耐磨材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述金属基体包括镍基高温合金、高温钛合金、不锈钢、铜合金和铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，固体碳源包括纳米碳粉、铅笔芯和固态聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，固体碳源的粒径为20～100nm，预置层厚度为5～100μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，保护气氛为氩气或氮气，流量为50～400g/min。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制
7.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，激光合金化工艺的参数为：加工次数1～10次，光斑直径40～100μm，激光功率10～500W，激光频率30～500KHz，扫描速度5～600mm/s，脉冲宽度50～350ns。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光与CVD复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述的化学气相沉积法的参数为：保温温度为1000～1200℃，通入气体的比例为Ar:H2:CH4＝30:5:(1～12)，气态碳源的通入时间为5～60min，升温速率为10℃/min，降温速率为5℃/min。
9.采用权利要求1～8任意一项制备方法制得的石墨烯/金属耐磨材料。
10.权利要求9所述的石墨烯/金属耐磨材料在金属防护领域中的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，在金属基体表面预置固态碳源，在保护气氛下，通过激光合金化工艺辐照金属基体表面预生长石墨烯籽晶，再通过化学气相沉积法生长石墨烯，得到石墨烯/金属耐磨材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，所述金属基体包括镍基高温合金、高温钛合金、不锈钢、铜合金和铝合金。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，固体碳源包括纳米碳粉、铅笔芯和固态聚苯乙烯。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，固体碳源的粒径为20～100nm，预置层厚度为5～100μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光与cvd复合工艺的石墨烯/金属耐磨材料的制备方法，其特征在于，保护气氛为氩气或氮气，流量为50～400g/min。
6.根据权利要求1所述的...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶晓慧，杨智元，魏苗苗，郑希，陈萌瑧，李昱瑢，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：
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