[發明專利]鈦合金表面稀土改性還原氧化石墨烯薄膜的制備方法

無效

• 申請號: 201210034168.5
• 申請日: 2012-02-15
• 公開（公告）號: CN102534586A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 程先華;李鵬飛;王傳英;疏達;程海正
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C23C20/06
• 分類號: C23C20/06;C01B31/04
• 代理公司: 上海旭誠知識產權代理有限公司 31220
• 代理人: 鄭立

技術領域

本發明涉及一種在鈦合金表面形成石墨烯復合薄膜的制備方法，尤其涉及一種在鈦合金表面形成硅烷-稀土改性還原氧化石墨烯復合薄膜的制備方法，屬于薄膜制備領域。

背景技術

鈦及鈦合金除了具有比較好的比強度、耐腐蝕性、耐高溫性、成形性及焊接性外，還具有無磁、抗彈、透聲等特性，因此被廣泛應用于航空航天、石油化工、生物醫學及運動器械等領域。但鈦合金的摩擦系數大、耐磨性差，限制了其在工程上的應用范圍。由于鈦及其合金不良的摩擦性能與其金屬固有的特性有關。因此，對鈦合金進行表面處理，即在其表面形成耐磨薄膜，成為改善其摩擦學性能的重要途徑。

近些年才被發現的二維碳原子晶體石墨烯是單原子厚度的碳原子層，它被認為是富勒烯、碳納米管、石墨的基本結構單元，具有優良的力學、量子和電學性質。石墨烯的抗拉強度和彈性模量分別為125GPa和1.1TPa，其質量輕，導熱性好(～3000W/(m·K))，且比表面積大(2600m²/g)，是已知材料中強度和硬度最高的晶體結構。因此采用石墨烯對材料表面進行鍍膜將大大提高材料的力學和摩擦學性能。但是石墨烯本身具有極強的穩定性，不易與基體材料結合成穩定的薄膜。因此，先選擇含活性基團的氧化石墨烯材料，采用浸潤法制備自組裝氧化石墨烯復合薄膜，再經過熱還原方法消除薄膜表面剩余的活性基團，可以制備具有高強度和耐磨性的還原氧化石墨烯薄膜，其強度和硬度接近于石墨烯，并具有良好的摩擦學性能。但是，氧化石墨烯的溶解性不好，溫度稍高時就容易團聚，分散性較差，很難與基底形成大面積均勻的粘結。因此，需通過對氧化石墨烯的表面改性及基底表面組裝活性基團等方法，提高氧化石墨烯與基底表面之間的結合效率，增強界面間結合強度，獲得摩擦學性能優良的復合薄膜。

目前，通過石墨烯對鈦合金表面進行改性，以致提高鈦合金表面的耐磨性能方面的技術研究尚未有相關公開報道。因此，對于利用石墨烯來提高鈦合金表面耐磨性能方面的工藝，具有良好的理論研究價值和工程應用前景。

發明內容

有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種通過稀土改性氧化石墨烯對鈦合金表面進行改性的制備方法，從而在鈦合金片表面形成改性還原氧化石墨烯薄膜，使得由該方法改性后的鈦合金片具有較好的薄膜-基體界面結合力，以及較好的耐磨性能。

為實現上述目的，本發明提供了一種在鈦合金片表面形成稀土改性還原氧化石墨烯復合薄膜的制備方法。具體地，采用在鈦合金表面生成硅烷自組裝薄膜作為過渡，并在此基礎上，利用稀土改性劑對氧化石墨烯進行表面改性。在硅烷自組裝薄膜基礎上進一步自組裝一層稀土改性還原氧化石墨烯復合薄膜，進而獲得具有良好摩擦磨損性能的雙層復合薄膜。

本發明的具體技術方案中，在鈦合金片表面形成稀土改性還原氧化石墨烯薄膜的具體制備方法包括如下步驟：

步驟一、室溫下，采用氫氧化鈉水溶液對經過表面拋光處理的鈦合金片進行浸泡，使鈦合金片表面羥基化；取出后清洗干凈，烘干。

步驟二、將處理后的鈦合金片用蒸餾水清洗，浸入以乙醇為溶劑的硅烷溶液中，在鈦合金片表面形成硅烷自組裝薄膜；鈦合金片取出后清洗干凈，烘干。

步驟三、配制稀土改性氧化石墨烯溶液：

室溫下，將氧化石墨烯粉末浸入稀土改性劑中浸泡2～6h，過濾、烘干得到氧化石墨烯固體，將其研碎后放入N，N-2-甲基甲酰胺(DMF)和水的混合溶劑中進行超聲，得到穩定的稀土改性氧化石墨烯懸浮液。

步驟四、將組裝有硅烷薄膜的鈦合金片浸入上述稀土改性氧化石墨烯溶液中進行恒溫水浴加熱，在鈦合金片表面形成硅烷-氧化石墨烯復合薄膜；取出后進行清洗、真空加熱干燥，得到表面形成稀土改性還原氧化石墨烯復合薄膜的鈦合金片。

其中，硅烷溶液的配制方法為：首先，配制有機硅烷體積分數為3～8％的乙醇溶液，常溫下靜置5至10min，加入與有機硅烷偶聯劑同等量體積的水，從而形成硅烷溶液。在本發明方法的具體實施方案中，選用的水優選去離子水。

有機硅烷選自于γ-氨丙基三乙氧基硅烷、(2-巰基丙基)三甲氧基硅烷、2-(3，4-環氧環己烷基)乙基三甲氧基硅烷、2-(3，4-環氧環己烷基)乙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、1，2-雙(三甲氧基硅基)乙烷、1，2-雙(三乙氧基硅基)乙烷或其混合物。優選(2-巰基丙基)三甲氧基硅烷、2-(3，4-環氧環己烷基)乙基三甲氧基硅烷或γ-氨丙基三乙氧基硅烷。