[發明專利]一種在金剛石表面原位生成減磨石墨烯薄膜的方法與制件

有效

• 申請號: 202011472104.4
• 申請日: 2020-12-14
• 公開（公告）號: CN112479203B
• 公開（公告）日: 2022-03-04
• 發明（設計）人: 陳妮;閆博;何寧;王潤凱;仵洋;李亮
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C01B32/28
• 分類號: C01B32/28;C01B32/19
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 劉瀟

本發明提供了一種在金剛石表面原位生成減磨石墨烯薄膜的方法與制件，屬于石墨烯薄膜制備技術領域。本發明以金剛石為原料，綜合利用激光誘導金剛石相變、摩擦剝離法和電化學剝離法，在金剛石的表面原位生成減磨石墨烯薄膜。相對于傳統的由石墨烯經沉積或噴涂形成減磨石墨烯薄膜的方法，本發明提供的方法可以直接由碳源原位生成減磨石墨烯薄膜，保證石墨烯均勻、精準地生長在金剛石表面，并使減磨石墨烯薄膜與金剛石表面保持良好的粘附性，確保減磨石墨烯薄膜與金剛石基體具有較高的結合強度。

技術領域

本發明涉及石墨烯薄膜制備技術領域，尤其涉及一種在金剛石表面原位生成減磨石墨烯薄膜的方法與制件。

背景技術

石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學以及力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有廣闊的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料，特別是在摩擦學領域，石墨烯的二維特性以及高剪切強度，使其具有優異的潤滑性和抗磨性，而且其化學穩定性極高，有望成為宏觀和微觀領域的優良固體潤滑劑。

石墨烯制備的方法大致分為“自下而上”法和“自上而下”法。“自下而上”法是以碳化硅或有機小分子為碳源，在一定條件下使碳原子進行重排或連接，從而制得石墨烯。此方法制備的石墨烯片層尺寸往往偏小或較大,尺寸分布不均，產品質量不佳，且成本比較高。例如利用激光高溫石墨化合成的石墨烯有很多缺陷，結構上有很多孔洞，高倍電鏡上看不是sp²結構，有很多四連環和五連環，此結構不適合用于減磨領域中。“自上而下”法一般是以高純石墨為原材料，通過剝離的方式減弱石墨層與層之間的范德華力，從而將塊狀的石墨剝離成為單層或少層的石墨烯。此方法是目前主流的制備石墨烯的生產路線。

采用上述方法制備得到石墨烯后，需要通過沉積、噴涂等方法將石墨烯轉移到工具目標表面，而石墨烯作為優異的固體潤滑劑，將其沉積或噴涂在工具目標表面時，存在沉積或噴涂不均勻的問題，且石墨烯與工具目標表面的粘附性仍有待提高。

發明內容

本發明的目的在于提供一種在金剛石表面原位生成減磨石墨烯薄膜的方法與制件，采用本發明提供的方法可以直接由碳源原位生成減磨石墨烯薄膜，保證石墨烯均勻、精準地生長在金剛石表面，并使減磨石墨烯薄膜與金剛石表面保持良好的粘附性。

為了實現上述發明目的，本發明提供以下技術方案：

本發明提供了一種在金剛石表面原位生成減磨石墨烯薄膜的方法，包括以下步驟：

在金剛石的表面進行激光輻照處理，在所述金剛石的表面形成石墨層，得到含石墨層制件；所述石墨層包括疊層設置的粉末狀石墨層和層狀石墨層，且與所述金剛石接觸的為層狀石墨層；

將所述含石墨層制件進行打磨處理，以去除所述粉末狀石墨層和部分層狀石墨層，得到打磨制件；

將所述打磨制件進行電化學剝離，在所述金剛石的表面原位生成減磨石墨烯薄膜。

優選地，所述粉末狀石墨層的厚度為1000～2000μm；所述層狀石墨層的厚度為30～100μm。

優選地，所述激光輻照處理采用的設備為納秒激光器；

所述激光輻照處理的操作條件包括：波長為1064nm、532nm或355nm，脈沖頻率為20kHz，光斑直徑為20μm，激光平均功率為4～7W，掃描速度為15～85mm/s，掃描間距為1～4μm。

優選地，所述部分層狀石墨層的厚度占所述層狀石墨層總厚度的30～70％。

優選地，所述打磨處理采用的設備為磨床；所述磨床上不銹鋼輪的外直徑為100～120mm，厚度為8mm；

所述打磨處理的操作條件包括：磨床行程進給控制精度為1μm，磨床轉速為500～3000r/min。