[發明專利]基于石墨烯的通用裂紋修復方法

無效

• 申請號: 200910067709.2
• 申請日: 2009-01-16
• 公開（公告）號: CN101462219A
• 公開（公告）日: 2009-06-24
• 發明（設計）人: 陳永勝;黃毅
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: B23P6/04
• 分類號: B23P6/04;C03C17/22;C04B41/85
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及構件材料的修復方法，特別是一種基于石墨烯(Graphene)的通用裂紋修復方法。具體采用單層或多層石墨烯溶液來修復材料或部件中的裂紋，工藝簡單、成本低廉、設備投入小、并能適用于多種材質機形狀的制品。

背景技術

材料是社會發展的物質基礎，是人類進步的重大標志。金屬材料和無機材料等在社會生產、生活中得到了廣泛應用。在材料的加工和使用過程中，經常會由于內應力、溫度差及疲勞等原因產生裂紋，如鋼料在焊接和機械切削加工過程中都可能產生裂紋；生鐵和陶瓷材料分別在鑄造和燒結后的冷卻過程中，可能由于內應力的存在或不均勻收縮等原因產生裂紋；金屬和無機材料在長期使用過程中都可能由于疲勞而產生裂紋。這些裂紋在材料使用過程中不斷擴大，使材料永久損壞(如機械零件和工程構件的斷裂)，并可能引發安全事故，造成人員及財產的嚴重損失。因此人們努力改進材料的組成及制備工藝，盡量避免裂紋的產生，如中國專利CN?200410009500.8公布了一種在制備大面積金剛石薄膜中抗裂紋的方法；CN?200710112279.2公開了一種防止半導體芯片或晶片中的背面微裂紋的形成及向其正面擴展的方法。而對于各種金屬和無機物等廣泛使用的材料，對其早期發現的裂紋的修復也非常重要。黃開金等(《金屬熱處理》，2002年第27卷第三期1-4頁)綜述了金屬裂紋的修復方法，主要有埋弧焊、等離子體焊、TIG焊、脈沖電流、激光填料焊接和激光熔覆技術等；CN?02104351.5公布了一種采用金屬熔融的方法對材料的損傷及裂紋進行填充修補的技術；CN?02816294.3發明了一種修補油箱裂縫的方法；CN89105169.4公布了用聚四氟乙烯樹脂修補搪瓷反應釜的方法；馮鐵程(氧化物陶瓷宏觀裂紋的修復，天津大學碩士學位論文，2005年12月)報道了采用燒結方法修復陶瓷裂紋的方法。

總之，現有的修復裂紋的方法有焊接、粘接、燒結等。每一種方法都只能適用于特定種類的材料，并且在修復微裂紋時存在較大局限性。另外，焊接過程中還可能產生新的微裂紋。

石墨烯是一類由一層碳原子組成的新型二維納米碳材料，是目前世界上最薄的二維材料。目前發現，這種材料具有優異的導電性、導熱性及力學性能。以天然石墨為原料，很容易通過化學方法實現石墨烯的大批量制備，價格便宜；經過化學功能化以后的單層石墨在水及有機溶劑中具有很好的溶解性，有利于其均勻分散及成型加工；并且，經過焙燒，可以恢復石墨烯的結構及性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于石墨烯的通用裂紋修復方法。它是以石墨或其他碳材料為原料，通過化學方法制備水溶性的單層或多層石墨烯，然后通過有機功能化的方法，制備有機可溶的單層或多層石墨烯，再將材料或部件中檢出有裂紋的部分浸泡于石墨稀的溶液中，使石墨烯充分滲透進入裂紋內部，最后取出、晾干，并經過焙燒即可修復材料或部件中的裂紋。利用本發明進行裂紋修復具有成本低、操作簡單、適用范圍廣的特點。

本發明提供的一種基于石墨烯的通用裂紋修復方法包括以下步驟：

1)將石墨烯經超聲波震蕩處理，在水溶液或者有機溶劑中分散成均勻的石墨烯水溶液或有機溶液；有機溶液進行功能化得到功能化的石墨烯溶液；

2)將構件材料或部件中檢出有缺陷的部位浸泡于上述的石墨烯溶液中，使石墨烯滲入裂紋中；

3)取出、晾干，并在高溫下焙燒，使裂紋得到修復。

本發明所述的石墨烯為單層和/或多層石墨烯，其中單層石墨烯的厚度為0.34-1.4nm，多層石墨烯的層數為2-5層，厚度為0.7-7nm。這些石墨烯材料具有水或有機溶劑可溶性，因此可用通用的溶液方法來加工處理，具有極大的方便性。

所述的功能化的石墨烯是指通過化學反應在石墨烯上連接了羧基、羥基、環氧鍵、異氰酸酯、磺酸基、噻吩、吡咯、苯胺和/或含6到18個碳的長鏈烷基中的至少一種基團。

所述的石墨烯水溶液或有機溶液的濃度范圍在0.1-10mg/mL之間。

所述的構件材料或部件為鋼鐵、玻璃、陶瓷、石英以及其它金屬及無機材料。

所述的浸泡時間為1-24h。

所述的焙燒溫度為250-1500℃，焙燒時間為1-10h。

所述的有機溶劑為：丙酮、甲醇、乙醇、二氯甲烷、三氯甲烷、乙腈、THF、DMF、苯、二氯苯等。

本發明具有如下優點：

1)本發明采用單層或多層石墨烯溶液來修復材料或部件中的裂紋，工藝簡單、成本低廉、設備投入小、并能適用于具有復雜形狀的產品。