一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用，利用激光在金属基底上引入粉末状的金属镍，采用搭接的扫描方式形成金属镍与金属基体的合金涂层；在合金涂层上预涂固体碳源，再用激光辐照实现原位生长石墨烯。本发明专利技术充分发挥了石墨烯优异的机械性能和耐腐蚀摩擦特性，使得金属材料同时高机械性能、抗腐蚀能力和耐摩擦能力，最终实现降低加工成本，延长金属工件及设备使用寿命的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用
本专利技术属于金属防护
，具体涉及一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用。
技术介绍
金属被广泛应用于生产生活、交通运输、航空航天、精密仪器设备制造等方方面面，但也极易因与周围环境相互反应，包括化学反应以及电化学反应，从而导致金属材料的腐蚀和破坏，在日常生产生活的环境中，潮湿、海水、酸碱性、气氛环境等都会引起金属材料的腐蚀，从而影响金属的实际使用寿命。金属材料的性能及抗腐蚀能力，直接决定了由其制造的部件、工具、仪器、设备等的性能、使用寿命以及可靠性和安全性，进而导致金属的失效，并造成大量的经济损失，甚至引起建筑物等的损毁和人员伤亡等。目前对于金属的防护处理和研究中，在金属表面增加保护层是最为行之有效的方法，包括有机涂层和牺牲阳极两种保护层，前者会改变金属表面本身的性质，后者又会对人体健康和环境造成不利影响，因此需要开发一种更为合适的金属保护涂层。在日常生产生活中主要使用的金属材料包括铁基合金、铜合金、钛合金、铝合金等。石墨烯作为目前发现的具有十分优异力学性能的材料，以其自身的厚度及耐磨性能优势，在金属防护领域有着广阔的应用前景。而目前所使用的在金属表面生长石墨烯薄膜的方法通常是CVD法，采用这种方法无法方便快捷地实现在任意尺寸金属基底上生长出石墨烯薄膜，液相法涂层则石墨烯与金属之间的结合力不够，无法对金属提供持久的防护。因此亟需开发一种高效的低成本的可在任意金属表面原位大面积生长石墨烯薄膜的制备方法。通过设计特定的二元合金体系可实现在任意金属基底表面原位生长石墨烯，为石墨烯在金属防护领域的应用迈出了实质性的一步。采用合金化的方法可以提高金属基底和石墨烯薄膜间的结合强度，同时又很好地利用了石墨烯优异的机械强度和耐腐蚀特性。本专利技术设计的利用激光在任意金属表面原位生长石墨烯的方法中，在金属基底上激光引入Ni原子，形成Ni与基体元素的合金层，之后再合金层上旋涂固体碳源，再用激光辐照生长石墨烯。石墨烯将作为独立涂层完全覆盖于金属基合金表面，直接作为防护涂层，应对机械摩擦、化学及电化学腐蚀等造成的损伤。一方面原位生成的石墨烯薄膜不必再进行转移或通过旋涂与金属基底结合，大大增强了石墨烯与金属基底之间的结合强度，另一方面可以大面积方便快捷地在金属表面生成石墨烯薄膜，从而提高生产效率，大大提升了金属材料的耐腐蚀性能和使用寿命。该制备方法将大力提升金属材料抵抗腐蚀的能力，减少因金属磨损而造成的经济损失等，也为金属材料的防护提供了新的思路。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用，解决了目前金属表面石墨烯薄膜与金属基底结合强度不够，无法持久提供耐腐蚀效用的问题，减少了金属材料在服役过程中因海水、湿润的空气、酸碱度以及物理摩擦造成的腐蚀和机械磨损，提高了金属零部件及其他涉及到金属材料的设备设施的使用寿命，最终实现降低损耗损失，提升金属器件设备等的使用寿命及安全性的目的。本专利技术采用以下技术方案：一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，包括以下步骤：S1、利用激光在金属基底上引入粉末状的金属镍，采用搭接的扫描方式形成金属镍与金属基体的合金涂层；S2、在合金涂层上预涂固体碳源，再用激光辐照实现原位生长石墨烯。具体的，步骤S1中，金属镍的粒径为30～100μm。具体的，步骤S1中，采用激光合金化工艺引入金属镍，采用最高功率为2000～6000W的光纤激光、CO2激光或半导体激光。进一步的，合金化工艺中，光斑直径为0.5～3mm，激光功率为1500～5500W，扫描速度为1～50mm/s，旁轴送粉的流量为1～10g/min。具体的，步骤S1中，搭接扫描方式中第二道与第一道的搭接率为20％～50％。具体的，步骤S2中，固体碳源为石墨粉，预置层的厚度为5～50μm。进一步的，石墨粉的粒径30～100nm。具体的，步骤S2中，采用的激光为最高功率2000～6000W的光纤激光、CO2激光或半导体激光。具体的，步骤S2中，激光生长石墨烯工艺参数为：光斑直径为50～500μm，激光功率为1500～5500W，扫描速度为1～50mm/s。本专利技术的另一个技术方案是，根据所述方法制备的原位生长石墨烯在金属材料耐磨件的应用。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术提供了一种利用激光在任意金属表面原位生长石墨烯的方法，充分发挥了全覆盖石墨烯膜高强度，耐腐蚀的优异性能，与金属基底紧密结合，并且其“零摩擦”的特点，使其具有超高的抗摩擦能力，为金属提供了可靠的抗腐蚀性和耐磨性，可大程度提升金属的使用寿命和安全性，降低了因金属腐蚀失效而引起的巨大经济损失和安全事故发生率。进一步的，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。进一步的，本专利技术利选取的镍过渡层与碳能形成固溶体，且碳能形成单独的相析出，为石墨烯再次生长提供碳源。进一步的，激光原位生长的石墨烯厚度可以通过激光参数和固体碳源厚度进行精确控制，是一种稳定、可控的制备方法。进一步的，设置的激光合金化参数范围内可实现快速熔化金属基底和送出的镍粉，形成熔池，基底金属和镍重熔形成合金涂层。进一步的，设置的石墨粉粒径更容易溶解到镍过渡层中，获得更高的过饱和固溶度，为石墨烯的生长提供碳源。进一步的，设置的激光原位生长石墨烯的参数范围内可实现快速熔化镍/金属基底合金层，形成熔池，碳粉溶解进熔池，与镍形成固溶体，激光关闭后，碳再析出表面形成石墨烯薄膜。综上所述，本专利技术涉及的利用激光在任意金属表面原位生长石墨烯的方法，充分发挥了石墨烯优异的机械性能和耐腐蚀摩擦特性，使得金属材料同时高机械性能、抗腐蚀能力和耐摩擦能力，最终实现降低加工成本，延长金属工件及设备使用寿命的目的。下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。附图说明图1为激光制备石墨烯示意图；图2为激光合金化涂层的XRD图谱；图3为激光合金化涂层的成分分析结果；图4为石墨烯表征结果，其中，(a)为光学显微镜图片；(b)为拉曼图谱。具体实施方式本专利技术提供了一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法及其应用，采用激光合金化手段在任意金属材料表面制备镍过渡层，再采用激光原位生长石墨烯薄膜，充分发挥了石墨烯具有优异的化学惰性及低摩擦系数的优点，并且在激光作用后金属基底的机械强度和抗腐蚀能力也大幅提高，二者均为金属提供了可靠的耐腐蚀、耐摩擦的保障。本专利技术一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，包括以下步骤：S1、在任意金属基底上利用激光引入金属镍，形成金属镍与金属基体的合金涂层；其中，金属基底包括但不限于45#钢、铸铁、工具钢、钛合金、铝合金、铜合金。激光引入金属镍的手段为激光合金化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、利用激光在金属基底上引入粉末状的金属镍，采用搭接的扫描方式形成金属镍与金属基体的合金涂层；/nS2、在合金涂层上预涂固体碳源，再用激光辐照实现原位生长石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、利用激光在金属基底上引入粉末状的金属镍，采用搭接的扫描方式形成金属镍与金属基体的合金涂层；
S2、在合金涂层上预涂固体碳源，再用激光辐照实现原位生长石墨烯。


2.根据权利要求1所述的基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤S1中，金属镍的粒径为30～100μm。


3.根据权利要求1所述的基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，其特征在于，步骤S1中，采用激光合金化工艺引入金属镍，采用最高功率为2000～6000W的光纤激光、CO2激光或半导体激光。


4.根据权利要求3所述的基于激光在金属表面原位生长石墨烯的方法，其特征在于，合金化工艺中，光斑直径为0.5～3mm，激光功率为1500～5500W，扫描速度为1～50mm/s，旁轴送粉的流量为1～10g/min。


5.根据权利要求1所述的基于激光在金...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶晓慧，董任重，羊奕帆，杨艳玲，锁国权，冯雷，侯小江，张荔，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61