CN112160008A - 一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层及其制备方法 - Google Patents

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杨泽慧
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Abstract

本发明公开了一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层及其制备方法，属于复合膜层领域。本发明的制备方法，利用微弧氧化工艺一步法在轻合金基体上制备氧化石墨烯封孔的陶瓷膜层，在保留陶瓷膜层的高强、高硬的基础上，氧化石墨烯填充在陶瓷膜层的微孔结构和裂纹中，起到封孔的作用，而氧化墨烯自身具有的低摩擦系数，降低了陶瓷膜层的摩擦系数。本发明的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层，相较于微弧氧化膜层，孔隙率和孔径得到了有效降低，表面粗糙度大幅度降低，提高了膜层的耐磨性能。

Description

一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层及其制备方法
技术领域
本发明属于复合膜层领域，尤其是一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层及其制备方法。
背景技术
钛合金因其质量轻、比强度高、耐蚀性强、热稳定性好等优点，在生物医疗、航空航天、船舶制造业等领域有着广泛的应用。由于钛合金自身较低的塑性剪切抗力和较弱的加工硬化能力从而导致其耐磨性能较差，因此钛合金需要表面处理以提高钛合金的摩擦性能。
目前，微弧氧化处理作为一种简单环保的表面处理工艺，已经应用于多种轻金属的表面改性中。微弧氧化处理所得到的陶瓷膜层硬度高并具有良好的耐蚀性。，但是形成的陶瓷膜层表面有大量的微孔结构和裂纹，陶瓷膜层的粗糙度较大，摩擦性能欠佳。经后处理封孔的微弧氧化膜层，减摩及耐磨性能虽有提高，但因封孔剂靠物理吸附力黏着在膜层表面无法长久存留，限制服役时间。
发明内容
本发明的目的在于克服钛合金经微弧氧化处理所得到的陶瓷膜层粗糙度大的缺点，提供一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，包括以下步骤：
1)配制含有氧化石墨烯的电解液；
2)将轻合金基体置于电解液中进行微弧氧化，得到氧化石墨烯封孔的陶瓷膜层。
进一步的，在步骤1)中的电解液pH为10-11；
每1升电解液中，含有2～6g KF、8～12g Na2SiO3和0～20g氧化石墨烯。
进一步的，在步骤1)中，氧化石墨烯经超声分散在电解液中。
进一步的，在300-500W的功率下超声10-15min。
进一步的，步骤2)中微弧氧化的具体参数为：
采用恒压模式，终止电压为410～425V，频率为400～600Hz，占空比为10％～20％，时间为20～40min。
进一步的，步骤2)中的轻合金基体经以下前处理：
依次经400#、600#、800#和1200#的砂纸打磨，经离子水和乙醇清洗后烘干。
本发明的制备方法得到的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层。
进一步的，氧化石墨烯填充在陶瓷膜层的孔隙中，氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的摩擦系数小于相应的陶瓷膜层的摩擦系数。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，利用微弧氧化工艺一步法在轻合金基体上制备氧化石墨烯自封孔的陶瓷膜层，在保留陶瓷膜层的高强、高硬的基础上，氧化石墨烯填充在陶瓷膜层的微孔结构和裂纹，起到封孔的作用，而氧化墨烯自身具有的低摩擦系数，在磨损过程中在表面形成连续的润滑膜，降低了陶瓷膜层的摩擦系数；另一方面，在微弧氧化过程中，一部分氧化石墨烯在电泳及范德华力的作用下沉积在微弧氧化膜层表面，另一部分氧化石墨烯在短暂放电引起的真空效应作用下，被吸入放电通道中并沉积在放电通道内壁上，使得微孔从轻合金基体到膜层表面完全封闭，得到自封孔的氧化石墨烯/陶瓷复合膜层。本发明的制备方法，在微弧氧化反应过程封闭膜层中的微孔，相比于对微弧氧化膜层进行后处理而封孔，本发明的制备方法封孔率更高，工艺更简单，所制备的膜层服役寿命更长。
进一步的，氧化石墨烯的不同添加量可实现对封孔程度及孔结构的调控。
进一步的，通过超声震动可是氧化石墨烯在电解液中分散均匀，避免发生大量团聚，影响反应过程。
进一步的，在300-500W的功率下超声10-15min，不仅可使氧化石墨烯分散在电解液中，也可使电解液中其他物质分散更加均匀。
进一步的，在该参数下制得的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层均匀，致密，无微孔，具有良好的减摩性能。
进一步的，对轻合金基体进行打磨前处理可保证，在反应过程中膜层生长更加均匀，对轻合金基体进行去离子水和乙醇清洗，可保证轻合金基体不受其他杂质离子干扰，电解液不受杂质离子污染，保证自封孔膜层的顺利制备。
本发明的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层，相较于微弧氧化膜层，孔隙率和孔径得到了有效降低，表面粗糙度大幅度降低，提高了膜层的耐磨性能。
附图说明
图1为实施例1、对比例的红外图；
图2为实施例1、对比例的拉曼图；
图3为实施例1的SEM图；
图4为对比例的SEM图；
图5为实施例1-实施例5、对比例的摩擦曲线对比图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
将20mm×20mm×5mm的钛合金依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行清洗并烘干；
将氧化石墨烯溶液在300W下超声15min，得到氧化石墨烯分散液，将氧化石墨烯分散液倒入KF和Na2SiO3的混合液中，搅拌10min，得到电解液；电解液含有：5g/L的KF、10g/L的Na2SiO3和5g/L的氧化石墨烯；
将钛合金置于电解液中进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为415V、频率500Hz和占空比15％，处理时间为20min；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到钛合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
参见图3，图3为实施例1的SEM图；由图3可以看出，氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层表面微孔被封闭并形成为凸起，膜层表面均匀且光滑。
对比例
将20mm×20mm×5mm的钛合金依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行清洗并烘干；
将钛合金置于电解液中进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为415V、频率500Hz和占空比15％，处理时间为20min；电解液含有：5g/L的KF和10g/L的Na2SiO3；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到钛合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
参见图4，图4为对比例的SEM图；膜层表面均匀性和平滑性欠佳，存在大量的微孔和微裂纹，由图3可知，通过添加氧化石墨烯，膜层表面的微孔被完全封闭，膜层表面的均匀性和平滑性均提高。
参见图1，图1为实施例1、对比例的红外图；从图1可以看出，3118cm-1、1734cm-1、1620cm-1和1050cm-1分别对应氧化石墨烯OH、C＝C、C＝O和C-O-C的伸缩振动峰，表明反应过程中氧化石墨烯未被还原并成功进入膜层中，形成氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层。
参见图2，图2为实施例1、对比例的拉曼图；从图2可以看出，1330cm-1和1584cm-1附近的峰值为氧化石墨烯D峰和G峰的拉曼特征峰，表明反应过程中的高温高压并未造成氧化石墨烯含氧基团化学键断裂，氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层中所含氧化石墨烯碳结构完整。
实施例2
将钛合金试样依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行超声清洗并烘干；
将KF、Na2SiO3和氧化石墨烯置于水中，在300W下超声15min，得到电解液；电解液中KF的浓度为5g/L，Na2SiO3的浓度为10g/L，氧化石墨烯的浓度为3g/L；
将钛合金置于电解液中，进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为415V、频率500Hz和占空比15％，处理时间为25min；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到钛合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
实施例3
将镁合金试样依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行超声清洗并烘干；
将KF、Na2SiO3和氧化石墨烯置于水中，在500W下超声10min，得到电解液；电解液中KF的浓度为4g/L，Na2SiO3的浓度为12g/L，氧化石墨烯的浓度为5g/L；
将镁合金试样置于电解液中，进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为420V、频率400Hz和占空比15％，处理时间为30min；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到镁合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
实施例4
将钛合金试样依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行超声清洗并烘干；
将KF、Na2SiO3和氧化石墨烯置于水中，在500W下超声10min，得到电解液；电解液中KF的浓度为4g/L，Na2SiO3的浓度为11g/L，氧化石墨烯的浓度为10g/L；
将钛合金试样置于电解液中，进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为425V、频率500Hz和占空比10％，处理时间为30min；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到钛合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
实施例5
将钛合金试样依次在400#、600#、800#和1200#的砂纸上打磨，再用去离子水和乙醇进行超声清洗并烘干；
将KF、Na2SiO3和氧化石墨烯置于水中，在300W下超声15min，得到电解液；电解液中KF的浓度为6g/L，Na2SiO3的浓度为8g/L，氧化石墨烯的浓度为20g/L；
将钛合金试样电解液中，进行微弧氧化处理，恒压模式下，终止电压为410V、频率400Hz和占空比20％，处理时间为30min；
将微弧氧化后的样品清洗，再烘干，得到钛合金用具有自封孔效应的减摩微弧氧化涂层。
参见图5，图5为实施例1-实施例5、对比例的摩擦曲线对比图，随氧化石墨烯添加量增加，膜层的摩擦系数先减小后增大，氧化石墨烯添加量为5g/L时的平均摩擦系数达到最小值0.1，相较于氧化石墨烯浓度为0g/L时的膜层降低了87.5％。这是因为在摩擦过程中氧化石墨烯易发生层间剪切滑移，表现出非常低的摩擦阻力，从而降低氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的摩擦系数。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制含有氧化石墨烯的电解液；
2)将轻合金基体置于电解液中进行微弧氧化，得到氧化石墨烯封孔的陶瓷膜层。
2.根据权利要求1所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，在步骤1)中的电解液pH为10-11；
每1升电解液中，含有2～6g KF、8～12g Na2SiO3和0～20g氧化石墨烯。
3.根据权利要求1所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，氧化石墨烯经超声分散在电解液中。
4.根据权利要求3所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，在300-500W的功率下超声10-15min。
5.根据权利要求1所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，步骤2)中微弧氧化的具体参数为：
采用恒压模式，终止电压为410～425V，频率为400～600Hz，占空比为10％～20％，时间为20～40min。
6.根据权利要求1所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的制备方法，其特征在于，步骤2)中的轻合金基体经以下前处理：
依次经400#、600#、800#和1200#的砂纸打磨，经离子水和乙醇清洗后烘干。
7.一种根据权利要求1-6任一项所述制备方法得到的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层。
8.根据权利要求7所述的氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层，其特征在于，氧化石墨烯填充在微弧氧化膜层的孔隙中，氧化石墨烯自封孔的微弧氧化膜层的摩擦系数小于相应的微弧氧化膜层的摩擦系数。
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