CN109338437B - 一种氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氧化铝‑石墨烯复合涂层的制备方法，属于材料涂层技术领域。本发明使用电泳沉积的方式，以两个金属铝片分别作为阴极与阳极，给两个金属铝片施加双脉冲电压，通过阴极与阳极的变换，分别交替实现石墨烯涂层的沉积过程和金属铝的阳极氧化过程，从而使石墨烯和氧化铝交替附在铝基上得到氧化铝‑石墨烯复合涂层。同时本发明使用双脉冲电压进行电泳沉积，可有效防止石墨烯的团聚现象，使涂层更加致密和均匀。本发明提供了一种氧化铝‑石墨烯复合涂层，此涂层结构致密，具有良好的力学性能和耐腐蚀、耐磨损性能。

Description

一种氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料涂层技术领域，特别涉及一种氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法。
背景技术
近年来，随着航空航天技术、电子通讯技术、高速交通领域等迅猛发展，对更优的力学性能、耐磨性、耐腐蚀性等多方面、高性能的功能材料需求日益强烈，传统的单一金属材料已经很难以满足一部分重要领域的使用，复合材料的研制已成为发展的必然趋势。
石墨烯是一种具备极强、极轻、极高韧性以及良好导电性的只有一层原子厚度的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，能够吸附和脱附各种原子和分子，因此，这种材料在材料科学与工程领域具有很大的发展前景。然而目前对于石墨烯-氧化铝的复合涂层制备研究较少，主要因为石墨烯尺寸较小，比表面积大，自身容易发生团聚，且石墨烯与金属铝基间难以紧密结合形成复合涂层。这些问题严重影响了金属基和复合材料的性能。
电泳沉积是指在稳定的悬浮液中通过电场的作用，胶体的粒子沉积成材料的过程。通过在溶液中加入两个电极，使溶液中悬浮的固体粒子在电场力的作用下向与粒子带相反电荷的电极移动，使固体粒子沉积于被涂工件上。针对于纯石墨烯涂层的制备方面，可采用电泳沉积法使石墨烯在金属铝表面进行沉积，得到纯石墨烯涂层。但是，在石墨烯复合涂层的制备方法方面，涉及的研究成果比较少。
发明内容
有鉴于此，本发明目的在于提供一种氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法。本发明提供的氧化铝-石墨烯复合涂层结构致密，具有良好的力学性能和耐腐蚀、耐磨损性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种氧化铝-石墨烯复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯纳米碎片浸入酸性溶液中，依次进行搅拌、抽滤处理，得到预处理石墨烯；
(2)将二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水混合，得到有机分散液；
(3)将预处理石墨烯与有机分散液混合，得到石墨烯分散液；
(4)对铝片依次进行打磨、抛光、清洗和烘干处理，得到预处理铝片；
(5)将两个预处理铝片分别作为阴极与阳极，在石墨烯分散液中进行电泳沉积，在铝片表面形成氧化铝-石墨烯复合涂层；
所述步骤(1)、(2)和(4)没有时间顺序的限制；
所述步骤(5)中电泳沉积的电压为双脉冲电压。
优选的，所述步骤(1)中酸性溶液为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或几种，所述酸性溶液的浓度为10～12mol/L。
优选的，所述步骤(1)中石墨烯纳米碎片质量和酸性溶液体积的比例为0.5～2mg：1mL。
优选的，所述步骤(2)中二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水的体积比为(30～40):(51～61)：9。
优选的，所述步骤(3)中预处理石墨烯质量和有机分散液体积的比例为1.0～2.0mg：1mL。
优选的，所述步骤(4)中的清洗包括依次进行的水洗和醇洗。
优选的，所述步骤(5)中电泳沉积的电压为50～100V，电泳沉积的频率为5～100Hz，电泳沉积的温度为30～80℃，电泳沉积的时间为10～20min。
本发明提供了上述制备方法制备的氧化铝-石墨烯复合涂层。
本发明提供了一种氧化铝-石墨烯复合涂层的制备方法，本发明使用电泳沉积的方式，以两个金属铝片分别作为阴极与阳极，给两个金属铝片施加双脉冲电压，通过阴极与阳极的变换，分别交替实现石墨烯涂层的沉积过程和金属铝的阳极氧化过程，从而使石墨烯和氧化铝交替附在铝基上得到氧化铝-石墨烯复合涂层。同时本发明使用双脉冲电压进行电泳沉积，可有效防止石墨烯的团聚现象，使涂层更加致密和均匀。
本发明提供了一种氧化铝-石墨烯复合涂层，此涂层结构致密，具有良好的力学性能和耐腐蚀、耐磨损性能。
具体实施方式
本发明提供了一种氧化铝-石墨烯复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
(1)将石墨烯纳米碎片浸入酸性溶液中，依次进行搅拌、抽滤处理，得到预处理石墨烯；
(2)将二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水混合，得到有机分散液；
(3)将预处理石墨烯与有机分散液混合，得到石墨烯分散液；
(4)对铝片依次进行打磨、抛光、清洗和烘干处理，得到预处理铝片；
(5)将两个预处理铝片分别作为阴极与阳极，在石墨烯分散液中进行电泳沉积，在铝片表面形成氧化铝-石墨烯复合涂层；
所述步骤(1)、(2)和(4)没有时间顺序的限制；
所述步骤(5)中的电泳沉积的电压为双脉冲电压。
本发明将石墨烯纳米碎片浸入酸性溶液中，依次进行搅拌、抽滤处理，得到预处理石墨烯。在本发明中，所述酸性溶液优选为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或几种，更优选为盐酸；所述酸性溶液的浓度优选为10～12mol/L，更优选为11mol/L；所述石墨烯纳碎米片质量和酸性溶液体积的比例优选为0.5～2mg：1mL，更优选为1～1.5mg：1mL。在本发明中，所述搅拌的方式优选为磁力搅拌，所述搅拌的时间优选为10～30min，更优选为15～25min。本发明对抽滤的方式没有具体要求，使用本领域常规的抽滤方式即可。本发明优选在抽滤时使用蒸馏水对石墨烯纳米碎片进行冲洗。本发明使用酸性溶液对石墨烯纳米碎片进行预处理可以使石墨烯纳米碎片的片层间掺杂有H+，使得石墨烯在电场作用下可以快速向阴极移动。
本发明将二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水混合，得到有机分散液。在本发明中，所述二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水的体积比优选为(30～40)：(51～61)：9，更优选为35：56：9。本发明对二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水的混合方式没有具体要求，使用本领域技术人员熟知的混合方式将上述成分混合均匀即可。
得到有机分散液后，本发明将预处理石墨烯与有机分散液混合，得到石墨烯分散液。在本发明中，所述预处理石墨烯质量和有机分散液体积的比例优选为1.0～2.0mg：1mL，更优选为1.6mg：1mL。本发明优选使用超声的方式对预处理石墨烯和有机分散液进行混合，所述超声的频率优选为28kHz，所述超声的时间优选为15～20min。
本发明对铝片依次进行打磨、抛光、清洗和烘干处理，得到预处理铝片。本发明对所述打磨、抛光的方式没有具体要求，使用本领域技术人员熟知的打磨、抛光操作将铝片表面加工平整即可。在本发明中，所述清洗优选包括依次进行的水洗和醇洗，所述水洗的洗涤剂优选为蒸馏水，所述醇洗的洗涤剂优选为无水乙醇。在本发明中，所述烘干优选为氮气烘干，所述烘干的温度优选为50℃。
得到预处理铝片后，本发明将两个预处理铝片分别作为阴极与阳极，在石墨烯分散液中进行电泳沉积，在铝片表面形成氧化铝-石墨烯复合涂层。在本发明中，所述的电泳沉积的电压为双脉冲电压；所述电泳沉积的电压优选为50～100V，更优选为60～80V；所述电泳沉积的频率优选为5～100Hz，更优选为20～80Hz；本发明优选在恒温水浴的条件下进行电泳沉积，所述电泳沉积的温度优选为30～80℃，更优选为50～60℃；所述电泳沉积的时间优选为10～20min，更优选为12～18min。本发明使用双脉冲电压作为电泳电压，可以通过阴极与阳极的变换，分别交替实现石墨烯涂层的沉积过程和金属铝的阳极氧化过程，使石墨烯和氧化铝交替附在铝基上，从而得到氧化铝-石墨烯复合涂层。同时本发明使用双脉冲电压进行电泳沉积，可有效防止石墨烯的团聚现象，使涂层更加致密和均匀。
得到氧化铝-石墨烯复合涂层后，本发明优选对氧化铝-石墨烯复合涂层依次进行洗涤和烘干。在本发明中，所述洗涤用洗涤剂优选为蒸馏水，所述烘干优选为氮气烘干，所述烘干的温度优选为50℃。烘干后，本发明优选将具有氧化铝-石墨烯复合涂层的铝片置于80℃恒温干燥箱中保存。
本发明提供了上述制备方法制备的氧化铝-石墨烯复合涂层。本发明提供的氧化铝-石墨烯复合涂层结构致密，具有良好的力学性能和耐腐蚀、耐磨损性能。
下面结合实施例对本发明提供的氧化铝-石墨烯复合涂层及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)使用电子天平称取石墨烯纳米碎片0.1g，然后将其置于100mL的浓硝酸(11mol/L)中，并磁力搅拌20min，将所得溶液进行抽滤处理，其过程中使用少量蒸馏水冲洗；
(2)配制100mL有机分散液，其成分体积比例分别为9％水，30％二甲基甲酰胺溶液，61％N-甲基吡咯烷酮溶液；
(3)将所述步骤(1)得到的预处理石墨烯置于所述步骤(2)所制得的有机分散液中，搅拌并且进行超声处理20min，控制超声频率为28kHz，得到均匀的石墨烯分散液；
(4)用砂纸对金属铝片表面进行打磨，之后并将打磨后的表面进行抛光，处理完毕后使用蒸馏水、无水乙醇对其表面进行清洗，并用氮气吹干；
(5)以所述步骤(3)得到的石墨烯分散液为电解液，以两个金属铝片作为阴极与阳极，在两电极间使用双脉冲电源加以100V双脉冲电压，在80℃恒温水浴的条件下，电泳沉积20min，得到氧化铝-石墨烯复合涂层。将所制得的氧化铝-石墨烯复合涂层试样用蒸馏水洗净并使用50℃氮气吹干之后，置于80℃恒温干燥箱中保存。
对此氧化铝-石墨烯复合涂层进行盐雾试验、耐磨损试验，并测量氧化铝-石墨烯复合涂层的微观硬度、摩擦系数，将所得结果列于表1中。
实施例2
(1)使用电子天平称取石墨烯纳米碎片0.2g，然后将其置于100mL的硫酸(10mol/L)中，并磁力搅拌10min，所得溶液进行抽滤处理，其过程中使用少量蒸馏水冲洗；
(2)配制100mL有机分散液，其成分体积比例分别为9％水，36％二甲基甲酰胺溶液，55％N-甲基吡咯烷酮溶液；
(3)将所述步骤(1)得到的预处理石墨烯置于所述步骤(2)所制得的有机分散液中，搅拌并且进行超声处理15min，控制超声频率为28kHz，得到均匀的石墨烯分散液；
(4)用砂纸对金属铝片表面进行打磨，之后并将打磨后的表面进行抛光，处理完毕后使用蒸馏水、无水乙醇对其表面进行清洗，并用氮气吹干；
(5)以所述步骤(3)得到的石墨烯分散液为电解液，以两个金属铝片作为阴极与阳极，在两电极间使用双脉冲电源加以50V双脉冲电压，在30℃恒温水浴的条件下，电泳沉积10min，得到氧化铝-石墨烯复合涂层。将所制得的氧化铝-石墨烯复合涂层试样用蒸馏水洗净并使用50℃氮气吹干之后，置于80℃恒温干燥箱中保存。
对此氧化铝-石墨烯复合涂层进行盐雾试验、耐磨损试验，并测量氧化铝-石墨烯复合涂层的微观硬度、摩擦系数，将所得结果列于表1中。
实施例3
(1)使用电子天平称取石墨烯纳米碎片0.24g，然后将其置于120mL的浓盐酸(12mol/L)中，并磁力搅拌20min，将所得溶液进行抽滤处理，其过程中可使用少量蒸馏水冲洗；
(2)配制150mL有机分散液，其成分体积比例分别为9％水，36％二甲基甲酰胺溶液，55％N-甲基吡咯烷酮溶液；
(3)将所述步骤(1)得到的预处理石墨烯置于所述步骤(2)所制得的有机溶剂中，搅拌并且进行超声处理15min，控制超声频率为28kHz，得到均匀的石墨烯分散液；
(4)用砂纸对金属铝片表面进行打磨，之后并将打磨后的表面进行抛光，处理完毕后使用蒸馏水、无水乙醇对其表面进行清洗，并用氮气吹干；
(5)以所述步骤(3)得到的石墨烯分散液为电解液，以两个金属铝片作为阴极与阳极，在两电极间使用双脉冲电源加以80V双脉冲电压，在50℃恒温水浴的条件下，电泳沉积12min，得到氧化铝-石墨烯复合涂层。将所制得的氧化铝-石墨烯复合涂层试样用蒸馏水洗净并使用50℃氮气吹干之后，置于80℃恒温干燥箱中保存。
对此氧化铝-石墨烯复合涂层进行盐雾试验、耐磨损试验，并测量氧化铝-石墨烯复合涂层的微观硬度、摩擦系数，将所得结果列于表1中。
表1氧化铝-石墨烯复合涂层性能测试结果
Figure BDA0001893370210000061
由表1可知，本发明提供的氧化铝-石墨烯复合涂层磨耗量小，微观硬度高，具有良好的耐腐蚀、耐磨损性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种氧化铝-石墨烯复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将石墨烯纳米碎片浸入酸性溶液中，依次进行搅拌、抽滤处理，得到预处理石墨烯；
(2)将二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水混合，得到有机分散液；
(3)将预处理石墨烯与有机分散液混合，得到石墨烯分散液；
(4)对铝片依次进行打磨、抛光、清洗和烘干处理，得到预处理铝片；
(5)将两个预处理铝片分别作为阴极与阳极，在石墨烯分散液中进行电泳沉积，在铝片表面形成氧化铝-石墨烯复合涂层；
所述步骤(1)、(2)和(4)没有时间顺序的限制；
所述步骤(5)中电泳沉积的电压为双脉冲电压；所述电泳沉积的电压为50～100V。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中酸性溶液为盐酸、硫酸和硝酸中的一种或几种，所述酸性溶液的浓度为10～12mol/L。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中石墨烯纳米碎片质量和酸性溶液体积的比例为0.5～2mg：1mL。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中二甲基甲酰胺溶液、N-甲基吡咯烷酮溶液与水的体积比为(30～40)：(51～61)：9。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中预处理石墨烯质量和有机分散液体积的比例为1.0～2.0mg：1mL。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中的清洗包括依次进行的水洗和醇洗。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中电泳沉积的频率为5～100Hz，电泳沉积的温度为30～80℃，电泳沉积的时间为10～20min。
8.权利要求1～7任意一项所述制备方法制备的氧化铝-石墨烯复合涂层。
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