[發明專利]一種快速制備碳納米管薄膜的方法

在審

• 申請號: 201610950230.3
• 申請日: 2016-11-03
• 公開（公告）號: CN106622921A
• 公開（公告）日: 2017-05-10
• 發明（設計）人: 張斌;張俊彥;薛勇;高凱雄;楊保平;崔錦峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院蘭州化學物理研究所;蘭州理工大學
• 主分類號: B05D7/24
• 分類號: B05D7/24;B05D7/02;B05D7/14;B05D3/00;C01B32/16
• 代理公司: 蘭州中科華西專利代理有限公司62002
• 代理人: 周瑞華

技術領域

本發明屬于表面潤滑與防護領域，涉及一種快速制備碳納米管薄膜的方法，主要用于降低低速運動部件表面的摩擦和磨損。

背景技術

任何機械零部件在工作的過程中不可避免的會產生摩擦與磨損現象，摩擦造成巨大的能量損耗，而磨損則會使機械設備精度和可靠性降低，因此，控制摩擦，減少磨損對節約能源、提高設備可靠性以及延長機械零部件壽命具有至關重要的意義。

碳納米管（CNTs）是一種特殊的納米材料，被認為是由石墨烯面經過一定程度彎曲而成的中空圓柱體，具有較高的強度、模量、韌性，在摩擦副的表面起到很好的“微軸承”的作用，同時具有優異的自潤滑性能，能夠有效提高抗摩擦磨損性能，是減摩抗磨的理想材料，在摩擦學領域中具有巨大的應用前景。

碳納米管薄膜在復合材料、場發射材料、燃料電池、固體潤滑等方面具有重要作用。然而，如何快速大面積制備碳納米管薄膜成為其應用的最大阻力；Sun等（Sun Z., Cheng X. Investigation of carbon nanotube-containing film on silicon substrates and its tribological behavior [J]. Applied Surface Science, 2015, 355: 272）通過自組裝的方式在Si基底上得到多壁碳納米管薄膜，隨后對其摩擦磨損性能進行研究，其摩擦系數為0.12（載荷500 mN）。但制備過程涉及的前處理過程復雜，周期很長，所用Piranha溶液危險系數高且溶劑對環境有污染。

清華大學專利（CN 200410034108.9）公開了一種碳納米管薄膜的電泳沉積制備方法，所得的薄膜雖均勻性較好，但是制備過程涉及碳納米管的修飾、碳納米管穩定懸浮液的配置，電泳沉積以及后處理，耗時很長（十小時以上），靈活性較差。

浙江大學專利（CN 200810059933.2）公開了一種單臂碳納米管薄膜的制備方法，即在鉬/鐵雙催化劑、氫氣和氬氣的混合氣體條件下，利用電弧放電得到碳納米管薄膜。此方法對設備要求高，靈活性差。

到目前為止，碳納米管薄膜的方法依然存在著靈活性差，設備要求高，耗時長，環境污染等弊端，且都不適合大面積制備。

發明內容

本發明的目的在于提供一種快速制備碳納米管薄膜的方法。

本發明通過機械擦涂碳納米管粉末（0.4-100 nm）從而形成固體潤滑薄膜，基底需預先處理成一定的織構，這種薄膜的優勢在于載荷從5-15 N變化時，摩擦系數穩定且隨載荷、摩擦配副變化不明顯，大體上維持在0.09-0.13（層數不同摩擦系數不同），遠低于基底的摩擦系數（0.55左右），磨痕寬度和深度明顯減小。本發明前處理簡單且不需要后處理，適合大面積快速制備，可用于金屬、陶瓷和聚合物等材質表面的耐磨損和降低摩擦系數。

一種快速制備碳納米管薄膜的方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟一；對基底表面進行拉絲、織構化或拋光處理；

步驟二：采用丙酮/乙醇超聲清洗以除去基底表面的油污，再用N₂吹干；

步驟三：將碳納米管粉末放置到兩塊已處理的基底之間，再將其進行單向往復對磨，所得薄膜為黑色，和基底結合緊密，薄膜的厚度由涂覆次數來決定。

所述基底為金屬、陶瓷或聚合物。

所述碳納米管粉末的管徑為0.4-100 nm。

所述碳納米管為單壁或多壁。

所述往復對磨的速度為5 m/min。

對薄膜的摩擦學性能進行測試（載荷5 N-15 N），用鋼球、Si₃N₄球或Al₂O₃球作為摩擦配副。結果顯示摩擦系數穩定在0.09-0.13，且隨載荷、摩擦配副變化波動較小，磨痕寬度和深度明顯減小。

本發明制備的碳納米管薄膜具有優異的摩擦學性能，制備方法簡單易行，不受制備面積的限制，有利于工業化應用。

附圖說明

圖1是本發明制備路線示意圖。

圖2是擦涂碳納米管薄膜前后在5-15 N變載荷條件下、Al₂O₃作為摩擦配副時的摩擦系數曲線（圖a）和磨損2D輪廓圖（圖b:不銹鋼，圖c:碳納米管/不銹鋼）。

具體實施方式

實施例1

步驟一：取201不銹鋼塊（40 mm×20 mm×1.7 mm），表面進行拉絲處理、粗糙度0.04-0.05R；