CN1204699A - 金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层及其制备方法 - Google Patents

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李亚均
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Abstract

本发明的金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层及其制备方法,其特征是该复合镀层中含有碳纳米管,如复合镀层的成分是Ni－P－碳管米纳。同现有技术比较,本发明的突出优点是该复合镀层具有高耐磨,低摩擦系数,高热稳定,耐腐蚀,自润滑等优异的综合性能,如其耐磨性比无镀层的轴承钢GCr15高1000倍,比Ni－P－SiC复合镀层高10倍以上。本发明的镀层可镀覆在各种金属零件表面上,可广泛应用于航空航天、机械、化工、冶金、汽车等各种行业,此方法简单,可适合于工业化大生产。

Description

金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层及其制备方法
本发明涉及一种使用以次磷酸盐为还原剂的镀镍、钴或其与磷或硼的混合物的化学镀覆，特别涉及一种金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层及其制备方法。
现有的各种复合镀层，其中所含的固体颗粒，如碳化硅颗粒、金刚石颗粒等，其粒度皆为微米级，其耐磨性、减摩性、自润滑性、耐腐蚀性和耐高温性等性能并不理想。
本发明的目的在于提供一种金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层及其制备方法，将碳纳米管优异的力学性能应用在工业镀层上，以大幅度提高镀层的综合性能。所述的碳纳米管是一种新型的纳米材料，它有单层和多层之分，多层石墨纳米管其管径为纳米级，长度为微米级，管层间距为0．34纳米，称为多层纳米碳管(MWNT)，单独的多层碳纳米管由Treacy等和王等分别用电镜(TEM)测量其热激发振动方法和原子力显微镜(AFM)方法，证明具有超高的强度，韧性和杨氏模量。美国科学杂志把碳纳米管可制备纳米器件，并且具有超强的力学性能列为1997年世界十大科技新闻之一。碳纳米管虽然具有潜在的工业应用前景，但迄今为止未见有关碳纳米管在工业上实际应用的报导。
有关碳纳米管超强力学性能基础研究的参考文献：
①M．M．J．Treacy，et．al．Nature 381(1996)，678；
②E．W．Wong，et．al．Science 277(1997)1971。
以下详细叙述本发明的详细内容。
一种金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层，其特征是该复合镀层中含有碳纳米管，如Ni-P-碳纳米管复合镀层。
一种制备上述复合镀层的方法，包括金属基体材料，化学沉积水溶液，其特征是该化学沉积水溶液的成份配比为：
硫酸镍        15～32毫升／升
次亚磷酸钠    16～30毫升／升
乳酸            3～8毫升／升
乙酸钠        10～15毫升／升
酒石酸锑钾     0．5～1．0ppm
碳纳米管微粒     2～10克／升
其余为蒸馏水；控制该化学沉积水溶液的PH值为4．6～4．7，温度为84～86℃，采用搅拌器连续搅拌，形成的复合镀层其成份为Ni-P-碳纳米管，化学沉积水溶液的PH值通过添加适量的冰乙酸调节。
同现有技术比较，本发明具有以下突出的优点：
1．本碳纳米管复合镀层具有高耐磨性，自润滑性，高热稳定性和耐腐蚀性等优异性能。在同等工况条件下，GCr15钢表面上镀上本复合镀层的耐磨性比没镀本复合镀层的耐磨性高1000倍，GCr15钢表面上镀上本复合镀层的耐磨性比镀上微米级碳化硅复合镀层的耐磨性高10倍；本复合镀层的干摩擦系数为0．06-0．11，具有自润滑性。
2．本复合镀层制备方法简单，可镀覆在各种金属零件表面上，适合大规模工业化生产，可广泛应用于航空航天，机械、化工、汽车、冶金等工业部门。
3．碳纳米管的制备方法先进，可规模化生产。
实施例：
基体为轴承钢GCr15，其硬度为HRC62，在该基体上镀覆Ni-P-碳纳米管复合镀层，化学沉积水溶液成分配比为：
硫酸镍        25毫升／升
次亚磷酸钠    30毫升／升
乳酸          25毫升／升
丙酸          8毫升／升
乙酸钠       15毫升／升
酒石酸锑钾      0．5ppm
碳纳米管微粒    5克／升
其余为蒸馏水；添加适量的冰乙酸，调节PH值为4．6，采用自动控温装置使水溶液的温度为85℃，采用磁力搅拌器搅拌，在轴承钢GCr15上形成Ni-P-碳纳米管复合镀层，镀层厚度为20μm。
实验结果表明：GCr15钢镀上Ni-P-碳纳米管复合镀层后，其耐磨性提高1000倍，Ni-P-碳纳米管复合镀层的耐磨性比Ni-P-SiC高10倍，前者自身配对对磨，在无润滑剂润滑条件下的干摩擦系数为0．06-0．11，表明Ni-P-碳纳米管镀层具有优异的自润滑性能，且该镀层与金属基体结合牢固，结构致密，同时具有高热稳定性和耐腐蚀性。
所用的碳纳米管采用催化剂CVD方法制备：在一管式电炉内，置一长、直石英管，石英管内放有撒上Fe、Co、Ni等催化剂微细粉料薄层的陶瓷舟，在通N2赶净石英管内空气的前提下，关闭N2气源，使管式炉升温，并以适当流量的H2通过反应石英管，待温度升至600～700℃，使石英管内温度保持恒定，调节合适流量的乙炔气体(C2H2)进入石英管，开始生成碳纳米管，持续时间数小时后，关闭C2H2气源和氢气气源，通入适当流量N2，并开始停炉降温，至室温后，关闭N2气源，取出陶瓷舟，黑色粉中含有90％以上碳纳米管，经纯化处理后，即可用。本制备方法先进，可规模化生产。

Claims (3)

1．一种金属表面上的碳纳米管高耐磨复合镀层，其特征在于：在该复合镀层中含有碳纳米管，如Ni-P-碳纳米管复合镀层。
2．一种实现权利要求1所述复合镀层的制备方法，包括金属基体材料，化学沉积水溶液，其特征在于：该化学沉积水溶液的成份配比为：
硫酸镍        15～32毫升／升
次亚磷酸钠    16～30毫升／升
乳酸            3～8毫升／升
乙酸钠        10～15毫升／升
酒石酸锑钾     0．5～1．0ppm
碳纳米管微粒      2～10克／升
其余为蒸馏水；控制该化学沉积水溶液的PH值为4．6～4．7，温度为84～86℃，采用搅拌器连续搅拌，形成的复合镀层其成份为Ni-P-碳管米纳。
3．根据权利要求2的方法，其特征在于：所述的化学沉积水溶液的PH值通过添加适量的冰乙酸调节。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1322168C (zh) * 2005-01-12 2007-06-20 浙江大学 含有碳/二硫化钼复合纳米管的复合镀层及其制备方法
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CN101976594A (zh) * 2010-08-31 2011-02-16 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 一种碳纳米管纤维的复合导线应用及其制备方法
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CN104213106A (zh) * 2014-09-26 2014-12-17 国家电网公司 一种镍锌磷-微粒复合化学镀层及其制备方法

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