CN110090429B

CN110090429B - 石墨烯冰刀支架的制备方法

Info

Publication number: CN110090429B
Application number: CN201910231046.7A
Authority: CN
Inventors: 李佳惠; 曹振; 李炯利; 张海平; 李佳佳; 王旭东
Original assignee: Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Beijing Graphene Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2020-06-12
Anticipated expiration: 2039-03-26
Also published as: CN110090429A

Abstract

本发明公开了一种冰刀支架，包括石墨烯钢复合片，石墨烯钢复合片包括交替叠加设置的钢材层和石墨烯层，石墨烯钢复合片的最上层和最下层为钢材层，相邻的两个钢材层通过一个石墨烯层间隔，叠加的方向与冰刀支架的长度方向基本垂直。本发明还公开了一种冰刀支架的制备方法，包括：提供多个钢板；提供石墨烯分散液；将钢板和石墨烯分散液交替叠加，使石墨烯分散液夹于相邻的两个钢板之间，形成夹心结构，夹心结构的最上层和最下层为钢板；对夹心结构进行加压预处理；对加压预处理后的夹心结构在900℃～1100℃进行烧结，形成石墨烯钢复合片；以及将石墨烯钢复合片加工为冰刀支架的预定形状。本发明还公开了一种冰刀鞋。

Description

石墨烯冰刀支架的制备方法

技术领域

本发明涉及特殊工具领域，特别是涉及一种石墨烯冰刀支架的制备方法。

背景技术

滑冰运动正越来越受到人们的喜爱，冰刀是滑冰运动最重要的装备，整个冰刀装备的精度、性能、重量和可靠性对滑冰起着巨大的作用。速滑冰刀鞋一般由冰刀刀片、刀管和冰鞋等三部分组成，冰刀刀片直接和冰面接触，刀管则连接着刀片和冰鞋，刀管起着支撑冰刀刀片的作用，对整个冰刀鞋质量和性能影响巨大。

然而，现有的冰刀支架通常采用碳钢和不锈钢材料制备而成，结构精密度不高，韧性、硬度、抗弯性等机械性能较差等缺点，因而导致其使用寿命不长且性能不佳。

发明内容

基于此，有必要提供一种高机械性能的石墨烯冰刀支架及其制备方法，以及石墨烯冰刀鞋。

一种冰刀支架，所述冰刀支架包括石墨烯钢复合片，所述石墨烯钢复合片包括交替叠加设置的钢材层和石墨烯层，所述石墨烯钢复合片的所述叠加的方向的最上层和最下层为所述钢材层，相邻的两个所述钢材层通过一个所述石墨烯层间隔，所述叠加的方向与所述冰刀支架的长度方向基本垂直。

在其中一个实施例中，所述石墨烯层的厚度为0.05μm～100μm。

在其中一个实施例中，所述钢材层的厚度为0.1mm～1mm。

在其中一个实施例中，所述石墨烯层中的石墨烯片部分渗入所述钢材层中。

在其中一个实施例中，所述冰刀支架的轴截面为管状，所述冰刀支架的与所述长度方向垂直的方向的截面包括多个同轴设置的环状层。

一种冰刀支架的制备方法，包括：

提供多个钢板；

提供石墨烯分散液，包括石墨烯片分散剂和分散在所述分散液中的石墨烯片；

将所述钢板和所述石墨烯分散液交替叠加，使所述石墨烯分散液夹于相邻的两个所述钢板之间，形成夹心结构，所述夹心结构的最上层和最下层为所述钢板；

对所述夹心结构进行加压预处理；

对所述加压预处理后的所述夹心结构在900℃～1100℃进行烧结，形成石墨烯钢复合片；以及

将所述石墨烯钢复合片加工为冰刀支架的预定形状。

在其中一个实施例中，所述加压预处理的温度为150℃～300℃。

在其中一个实施例中，所述加压预处理的压力为50T～100T。

在其中一个实施例中，所述烧结在真空度小于或等于1.0×10^-2Pa下进行。

在其中一个实施例中，所述提供所述多个钢板的步骤包括：

对所述多个钢板进行机械磨平；以及

对所述机械磨平后的所述多个钢板进行电解抛光。

在其中一个实施例中，所述电解抛光的抛光温度为60℃～80℃，电流密度为50A·dm^-2～100A·dm^-2，电解时间5min～8min。

在其中一个实施例中，所述电解抛光的电解液组分包括浓度为550ml/L～750ml/L的磷酸、100ml/L～200ml/L的硫酸、30g/L～70g/L的三氧化铬及水。

在其中一个实施例中，还包括：在所述机械磨平的步骤之前，对所述多个钢板进行去应力退火，所述退火的温度为450℃～800℃。

在其中一个实施例中，所述石墨烯分散液还包括助剂，所述助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

一种冰刀鞋，包括鞋体、冰刀以及所述的冰刀支架或者所述的制备方法得到的冰刀支架，所述冰刀支架连接在所述冰刀和所述鞋体之间。

本发明的冰刀支架包括石墨烯钢复合片，由于所述石墨烯的独特的二维蜂窝状结构，使得所述石墨烯层叠加设置在相邻的两个钢材层之间后能够增强所述石墨烯钢复合片沿所述叠加方向的机械强度，使复合片具有超高抗弯强度、硬度和冲击韧性，解决了现有的不锈钢或碳钢制成的冰刀支架的机械性能差的问题。并且，石墨烯层设置在相邻的两个钢材层之间，更容易实现石墨烯在冰刀支架长度方向上的均匀分布，相对于将石墨烯与钢材基体混合，降低了石墨烯的分散难度。冰刀支架用于连接冰刀和鞋架，起着对冰刀和冰刀鞋的支撑作用，通过提高冰刀支架的机械性能，使冰刀鞋具有更高的运动性能和使用寿命，有助于滑冰运动员成绩的提高。

本发明的冰刀支架的制备中，通过将叠加设置的石墨烯分散液和钢材进行加压和烧结，使石墨烯层和钢材层结合，在保证所述石墨烯层和钢材层结合牢固性的同时，使石墨烯层能够保持本身的高机械性能。

附图说明

图1为本发明一实施例的冰刀支架的结构示意图；

图2为本发明一实施例的石墨烯钢复合片的透射电子显微镜照片，其中，左侧为钢材，右侧为石墨烯，中间为石墨烯钢材复合区域。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的石墨烯冰刀支架及其制备方法，以及石墨烯冰刀鞋进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-2，本发明实施例提供一种冰刀支架，所述冰刀支架20包括石墨烯钢复合片，所述石墨烯钢复合片包括交替叠加设置的钢材层和石墨烯层，所述石墨烯钢复合片的所述叠加的方向的最上层和最下层为所述钢材层，相邻的两个所述钢材层通过一个所述石墨烯层间隔，所述叠加的方向与所述冰刀支架20的长度方向基本垂直。

本发明实施例的冰刀支架20包括石墨烯钢复合片，由于所述石墨烯的独特的二维蜂窝状结构，使得所述石墨烯层叠加设置在相邻的两个钢材层之间后能够增强所述石墨烯钢复合片沿所述叠加方向的机械强度，使复合片具有超高抗弯强度、硬度和冲击韧性，解决了现有的不锈钢或碳钢制成的冰刀支架20的机械性能差的问题。并且，石墨烯层设置在相邻的两个钢材层之间，更容易实现石墨烯在冰刀支架20长度方向上的均匀分布，相对于将石墨烯与钢材基体混合，降低了石墨烯的分散难度。冰刀支架20用于连接冰刀40和鞋架，起着对冰刀40和冰刀鞋的支撑作用，通过提高冰刀支架20的机械性能，使冰刀鞋具有更高的运动性能和使用寿命，有助于滑冰运动员成绩的提高。

所述石墨烯钢复合片的最上层和最下层为所述钢材层，将所述石墨烯层设置在相邻的两层所述钢材层之间，从而避免所述石墨烯层由于长时间摩擦、腐蚀等而脱落，提高所述石墨烯钢复合片的使用寿命。所述石墨烯层和所述钢材层的层数可以根据所述冰刀支架20的厚度要求进行调整。在一实施例中，所述石墨烯钢复合片可以包括依次叠加设置的第一钢材层、石墨烯层和第二钢材层。

在一实施例中，所述石墨烯为原始的石墨烯和氧化石墨烯中的一种或多种，所述原始的石墨烯即未被氧化或连接功能基团的石墨烯，原始的石墨烯碳原子结构未破坏，机械性能更强。所述氧化石墨烯更容易分散。石墨烯的层数可为1～8层，优选的，所述石墨烯的层数为1～3层，所述石墨烯的层数越少，机械性能越强。在一实施例中，所述石墨烯的粉体片径可以为5μm～50μm。

在一实施例中，所述石墨烯层的厚度可以为0.05μm～100μm。所述钢材层的厚度可以为0.1mm～1mm。所述石墨烯层在该厚度范围内，使得所述石墨烯层在所述叠加方向上可以部分与所述钢材层结合，并且所述石墨烯层还剩余中间部位不结合，从而可以保持石墨烯本身的性质。所述钢材层在该厚度范围内能够使得所述石墨烯钢复合片在厚度上具有足够的尺寸，并且可以起到防腐作用，避免石墨烯层随着时间延长而受到外界环境的破坏。

在一实施例中，所述石墨烯层中的石墨烯片部分渗入所述钢材层中，从而使得石墨烯片与钢材层结合，提高所述钢材层和所述石墨烯层叠加方向上的机械强度。在一实施例中，所述石墨烯层可以通过烧结使所述石墨烯片部分渗入所述钢材层中。通过烧结的方式，石墨烯层和钢材层的接触部位发生粘结，使独立分离的石墨烯层的石墨烯片和钢材层材料形成聚结体，使接触部位的结合强度增加。通过烧结的方式，所述石墨烯层和所述钢材层的未接触部位不发生粘结，可以保证所述石墨烯层的中间部位的性质不发生改变，从而保证所述石墨烯钢复合片具有更好的机械性能。

所述钢材可以以铁作为基本元素，并包括非石墨类碳元素及其他合金元素。所述其他合金元素可以包括但不限于Cr、Mn、Mo、Si、Cu、Ni、P、S、W、V、Ti及P中的一种或多种。各元素的种类和含量可以根据机械强度的要求进行适应性调整。在一实施例中，所述钢材的非石墨类碳元素的含量可以为0.2％～0.8％，可以作为所述冰刀支架20的材料使用。不同层的所述钢板的组分可以相同或不同。

在一实施例中，所述冰刀支架20的轴截面可以为管状，所述冰刀支架20的与所述长度方向垂直的方向的截面可以包括多个同轴设置的环状层，所述环状层可以具有切口，冰刀40的两侧可以夹持在所述冰刀支架20的所述切口之间。

本发明实施例还提供一种冰刀支架20的制备方法，包括：

S10，提供多个钢板；

S20，提供石墨烯分散液，包括石墨烯片分散剂和分散在所述分散液中的石墨烯片；

S30，将所述钢板和所述石墨烯分散液交替叠加，使所述石墨烯分散液夹于相邻的两个所述钢板之间，形成夹心结构，所述夹心结构的最上层和最下层为所述钢板；

S40，对所述夹心结构进行加压预处理；

S50，对所述加压预处理后的所述夹心结构在900℃～1100℃进行烧结，形成石墨烯钢复合片；以及

S60，将所述石墨烯钢复合片加工为冰刀支架20的预定形状。

本发明实施例的本发明的冰刀支架20的制备中，通过将叠加设置的石墨烯分散液和钢材进行加压和烧结，使石墨烯层和钢材层结合，在保证所述石墨烯层和钢材层结合牢固性的同时，使石墨烯层能够保持本身的高机械性能。

在步骤S10中，所述多个钢板可以为经过预处理的钢板，通过预处理步骤可以使所述多个钢板保持更好的形态和强度，有利于与石墨烯片的结合。所述预处理的步骤可以包括对所述多个钢板进行去应力退火、机械磨平和抛光中的一种或多种。

在一实施例中，所述步骤S10可以包括：对所述多个钢板进行机械磨平。所述机械磨平可以通过机械打磨机实现。通过机械磨平，得到预定厚度的钢板，同时使所述钢板的表面平整，降低所述钢板表面的粗糙度，为与石墨烯片的结合提供良好的结合界面，有利于降低所述钢板与石墨烯片叠加后的空隙。在一实施例中，所述钢板通过所述机械磨平后的厚度可以为0.3mm～0.5mm，粗糙度可以为Ra0.8μm以下。

优选的，所述步骤S10还可以包括：对所述机械磨平后的所述多个钢板进行抛光。所述抛光是指利用抛光工具、磨料颗粒或其他抛光介质对所述钢板表面进行的修饰加工，使所述钢板的表面光亮、平整。所述抛光方法可以包括机械抛光、化学抛光和电化学抛光中的至少一种。优选的，所述抛光方法可以为电化学抛光，具体可以为电解抛光。电解抛光的效率要比机械加工效率高，而且抛光后所述钢板表面生成致密牢固的氧化膜，不会产生加工变质层，也没有残余应力。所述电解抛光的步骤为将所述多个钢板在电解液中进行阳极处理，使所述钢板的表面平整。优选的，所述步骤S10还可以包括：用去离子水对所述抛光后的所述多个钢板进行清洗，以去除所述多个钢板表面的电解液。

石墨烯片与钢板的结合对于钢板的表面平整度要求较高，如果所述钢板的表面平整度达不到要求，则会造成石墨烯片与钢板结合不牢固，并且会造成石墨烯片与钢板结合后的石墨烯片的形貌发生较大改变。电解抛光的温度、电流和电解时间对于钢板的抛光效果及钢板的机械性能有着重要影响。在一实施例中，所述电解抛光的抛光温度可以为60℃～80℃，电流密度可以为50A·dm^-2～100A·dm^-2，电解时间可以5min～8min。通过所述抛光温度、电流密度和电解时间相互配合，达到更好的抛光效果，使所述钢板的平整度更高，同时不会破坏所述钢板本身的机械性能。在一实施例中，所述电解抛光的电解液组分可以包括浓度为550ml/L～750ml/的磷酸、100ml/L～200ml/L的硫酸、30g/L～70g/L的三氧化铬及水。

由于原始钢材内部存在应力，应力可导致钢材的破裂、变形或尺寸变化，应力也提高金属化学活性，在应力作用下特别容易造成晶间腐蚀破裂，破坏钢材的形貌和结构。在一实施例中，所述步骤S10还可以包括：在所述机械磨平的步骤之前，对所述多个钢板进行去应力退火。通过退火，使所述多个钢板进行局部重塑，从而使应力松弛甚至清除应力。所述退火的温度可以为450℃～800℃。在所述退火温度下能够去除所述钢板的应力并且避免所述钢板的组织结构遭到破坏。

在步骤S20中，所述分散剂可以包括选自水和挥发性的有机溶剂中的至少一种。可通过简单的加热蒸发去除所述石墨烯分散液中的所述分散剂。可选的，所述挥发性的有机溶剂可以包括乙醇、甲醇、异丙醇、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基-2-吡咯烷酮中的一种或多种。在一实施例中，所述石墨烯分散液还包括助剂，所述助剂可以包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。所述十二烷基苯磺酸钠和所述聚乙烯吡咯烷酮作为表面活性剂，有助于所述石墨烯片在所述分散剂中均匀分散并且不会破坏所述石墨烯片的性质。所述助剂的含量可以为所述石墨烯片含量的60％～80％。该含量的所述助剂与所述分散剂相互配合，使所述石墨烯分散液具有合适的粘度和表面活性，从而更好的分散，并且使所述石墨烯分散液可以更好地附着在相邻的两个所述钢板之间而尽量减少从相邻的两个所述钢板之间流出。所述石墨烯片在所述石墨烯分散液中的浓度可以为3mg/L～15mg/L。

在一实施例中，所述提供所述石墨烯分散液的步骤包括将所述分散剂、所述助剂和所述石墨烯片进行超声处理。所述超声处理的温度可以为60℃～100℃。所述超声处理的时间可以为30min～120min。

在步骤S30中，所述将所述钢板和所述石墨烯分散液交替叠加的步骤可以包括：将所述石墨烯分散液涂覆或者丝网印刷在相邻的两个所述钢板中至少一个的表面，将所述相邻的两个所述钢板叠加。优选的，将所述石墨烯分散液涂覆或者丝网印刷在相邻的两个所述钢板中至少一个的表面之后，立即将所述相邻的两个所述钢板叠加，从而尽量避免所述石墨烯分散液沿所述钢板流下。

在步骤S40中，通过对所述夹心结构在一定的温度下施加压力，使所述石墨烯分散液中的所述分散液挥发形成石墨烯层，并使所述石墨烯层紧紧贴附在所述相邻的两个所述钢板之间。在一实施例中，所述加压预处理的温度可以为150℃～300℃。在所述温度下，使所述分散剂能够挥发从而有利于进一步的烧结，并且该温度下不会使所述钢板和所述石墨烯片由于加压而发生形变。在一实施例中，所述加压预处理的压力可以为50T～100T。所述压力不宜过大，避免造成所述钢板的厚度以及所述石墨烯片和钢板的组织结构发生改变。所述加压预处理的时间可以为10h～20h。

在步骤S50中，所述烧结的温度可以为900℃～1100℃。所述烧结温度应控制在合适的范围，所述烧结的温度不宜过低，避免石墨烯片与所述钢材粘结不牢固，所述烧结温度过高则可能造成所述钢材过烧而报废，并且可能会使得石墨烯片与所述钢材完全溶为一体合金，从而会破坏石墨烯片的结构。优选的，所述烧结可以在真空度小于或等于1.0×10^-2Pa下进行。在所述真空度下进行避免所述钢材在烧结过程中被氧化。所述烧结时间可以为1h～3h。通过烧结，所述石墨烯层的两端分别与相邻的所述钢材粘结，所述钢材作为钢材层，所述石墨烯片形成石墨烯层，从而形成叠加设置的的石墨烯钢复合片。

在步骤S60中，所述将所述石墨烯钢复合片加工为冰刀支架20的预定形状的步骤可以包括：将所述石墨烯钢复合片弯折成管状，管状结构的轴向与所述石墨烯层和钢材层的叠加方向垂直。

本发明实施例还提供一种冰刀鞋，包括鞋体、冰刀40以及所述冰刀支架20或者所述的制备方法得到的冰刀支架20，所述冰刀支架20连接在所述冰刀40和所述鞋体之间。

实施例1

将厚度为2～10mm的钢板轧制成0.4mm厚度，并在650～700℃下进行去应力退火，其中所用钢板的碳含量为0.5％的碳钢。

将退火过后的钢板进行机械磨平至0.3mm厚度，同时粗糙度在Ra0.8。

将机械磨平后的钢板进行电解抛光，抛光温度为70℃，电流密度为70A·dm^-2，电解时间6min。电解液组分为磷酸650ml/L，硫酸150ml/L，水150ml/L，三氧化铬50g/L。电解抛光后将钢板用去离子水冲洗干净。

将石墨烯片、聚乙烯吡咯烷酮、二甲基甲酰胺的混合溶液超声80min得到石墨烯分散液。石墨烯片在石墨烯分散液中的浓度为7mg/L，石墨烯片片径为10～15μm，聚乙烯吡咯烷酮含量为石墨烯片含量的70％。

将石墨烯分散液旋涂或丝网印刷至经过电解抛光的第一钢板上，形成石墨烯薄膜液，再将另一个经过电解抛光的第二钢板压在旋涂或丝网印刷的石墨烯薄膜液上，从而形成中间是石墨烯薄膜液的双层钢板夹心结构。石墨烯分散液薄膜厚度为0.05μm。

将夹心结构在250℃下在压力机上保压15h，压力为100T，得到石墨烯钢材料坯体。

将石墨烯钢材料坯体在真空度10^-2Pa以下，温度1000℃下烧结2h得到石墨烯钢复合片。

对制备的石墨烯复合片进行机械性能测定，结果如下表1所示。

实施例2

实施例2与实施例1基本相同，不同之处仅在于石墨烯分散液旋涂或丝网印刷厚度为5μm。

实施例3

实施例3与实施例1基本相同，不同之处仅在于电解抛光的温度为50℃。

对比例1

对比例1与实施例1基本相同，不同之处仅在于所述夹心结构加压形成石墨烯钢材料坯体后未进行烧结。

对比例2

对比例2与实施例1基本相同，不同之处仅在于烧结的温度为1500℃。

对比例3

对比例3与实施例1基本相同，不同之处仅在于加压的压力为200T。

表1石墨烯钢复合片的机械性能

实施例和对比例均在相同条件下进行抗弯强度、硬度和冲击强度的测试。从表1可以看出，石墨烯层厚度的增加使石墨烯钢复合片展现出更优异的综合机械性能。通过烧结可以使石墨烯片与钢材更好的结合，经过烧结使石墨烯钢复合片在抗弯强度、硬度和冲击韧性方面的机械性能都得到大幅度提高，从而有利于冰刀支架20的机械性能的提高。并且，通过实验发现，烧结温度需要控制在合适的温度范围，温度过高可能会使石墨烯片与钢材过溶合而使石墨烯片的组织结构遭到破坏，不利于提高冰刀支架20的机械性能。加压压力过大可能也会破坏石墨烯的结构，不利于石墨烯钢复合片的机械性能。另外，电解抛光的温度过低可能会造成钢板表面平整度不够，使钢板和石墨烯片之间存在空隙，不利于石墨烯钢复合片的机械性能。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种冰刀支架的制备方法，包括：

提供多个钢板；

对所述夹心结构进行加压预处理；

将所述石墨烯钢复合片加工为冰刀支架的预定形状。

2.根据权利要求1所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述加压预处理的温度为150℃～300℃。

3.根据权利要求1所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述加压预处理的压力为50T～100T。

4.根据权利要求1所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述烧结在真空度小于或等于1.0×10^-2Pa下进行。

5.根据权利要求1所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述提供所述多个钢板的步骤包括：

对所述多个钢板进行机械磨平；以及

对所述机械磨平后的所述多个钢板进行电解抛光。

6.根据权利要求5所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述电解抛光的抛光温度为60℃～80℃，电流密度为50A·dm^-2～100A·dm^-2，电解时间5min～8min。

7.根据权利要求5所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述电解抛光的电解液组分包括浓度为550ml/L～750ml/L的磷酸、100ml/L～200ml/L的硫酸、30g/L～70g/L的三氧化铬及水。

8.根据权利要求5所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，还包括：在所述机械磨平的步骤之前，对所述多个钢板进行去应力退火，所述退火的温度为450℃～800℃。

9.根据权利要求1所述的冰刀支架的制备方法，其特征在于，所述石墨烯分散液还包括助剂，所述助剂包括十二烷基苯磺酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。