[发明专利]一种金属表面原位生长多晶石墨烯防腐薄膜的方法和装置

说明书

本发明公开了一种金属表面原位生长多晶石墨烯防腐薄膜的方法和装置，通过提供一个一端开口的反应器，利用在常压环境下电磁感应加热液态碳源在金属表面快速生长多晶石墨烯，可方便实现在金属表面大面积快速制备石墨烯薄膜。所制备的多晶石墨烯薄膜可以有效防止水汽、氧气、酸根等离子的渗透，大大提高了金属的化学防腐蚀性能，极大提高了金属的使用寿命，解决了防腐涂层制备工艺复杂、薄膜和金属表面的结合问题。此外，生长的超薄的多晶石墨烯涂层对金属性能没有大的影响。

技术领域

本发明涉及石墨烯制备领域，尤其是一种金属表面原位生长多晶石墨烯防腐薄膜的方法和装置。

背景技术

腐蚀是新兴海洋工程、海岛工程等领域装备、设施安全性和服役寿命的重要影响因素之一，尤其热带海洋开发和基础设施建设，面临着严峻的腐蚀危机，使我国重大工程和装备的可持续发展受到影响。石墨烯是目前自然界最薄的二维纳米材料，阻隔与屏蔽性能非常优异。通过引入石墨烯能够增强耐冲击的力学性能和对介质的屏蔽阻隔性能，尤其是能够显著提高热带海洋大气环境中服役金属表面抗腐蚀介质(水、氯离子、氧气等)的渗透能力，在大幅降低金属表面保护层厚度的同时，提高金属的防腐寿命，让钢铁等金属材料“抵御”来自热带海洋环境下高盐、高湿及高温的侵袭，提高设备的寿命，减少经济损失。

目前石墨烯的制备方法主要有：1）机械剥离法：得到的石墨烯尺寸很小，一般在10-100um之间；2）SiC外延生长法：原料成本较高，设备成本也很高，也很难生长太大尺寸的石墨烯；3）氧化石墨还原法：石墨烯缺陷非常多，电学、力学性能都较差；4）化学气相沉积法：转移是难题，而且生长需要真空环境，周期比较长。在以上几种方式中化学气相淀积法是能在金属表面原位生长石墨烯，但A cautionary note on graphene anti-corrosioncoatings文献报道化学气相沉积法生长的石墨烯具有导电性，在长期的腐蚀环境中反而加速促进电化学腐蚀而使得石墨烯作为防腐材料的防腐性能更差。

鉴于此，本发明的目的通过在常压下电磁感应产生的磁束对内部的金属感应线圈和金属进行快速加热，反应器内带苯环的溶液受热蒸发，在反应器内形成与大气混合饱和带苯环的混合蒸汽以此作为碳源。在样品表面快速生长形成石墨烯多晶薄膜。多晶薄膜由于晶界间的势垒特性使得制备的薄膜克服了在长期的腐蚀环境中石墨烯表面因强电导而加速促进电化学腐蚀的影响。提高了金属的防腐蚀效果。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术不足，提供了一种在金属表面直接快速生长石墨烯防腐薄层的制备方法及装置。该方法直接在常压下利用电磁感应加热含苯环的溶液（苯，氯苯，甲苯等）在金属表面快速生长多晶石墨烯薄膜；所制备的多晶石墨烯薄膜可以有效防止水汽、氧气、酸根等离子的渗透，大大提高了金属的化学防腐蚀性能，极大提高了金属的使用寿命。此外，生长的超薄的多晶石墨烯涂层对金属性能没有大的影响。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属表面原位生长多晶石墨烯防腐薄膜的方法，包括以下步骤：

S01：选择金属样品为新制备的金属样品或者经过预处理的旧金属样品，备用；

S02：提供一个一端开口的反应器，并在反应器中设置一个隔层，将反应器分为隔层以上部分和隔层以下部分，所述隔层中间设有一个细通孔，连通上、下两个空间；在反应器的外壁环绕通冷却循环水的空心金属感应线圈，并在反应器的隔层以下部分先放置实心闭合金属感应加热线圈；

S03：在反应器的隔层以下部分加入预设量的含苯环液体作为碳源后，在常压环境下外壁的空心金属感应线圈两端通交流电；

S04：当隔层以下部分的实心闭合金属感应加热线圈产生感应电流升温至40-300℃加热碳源，当饱和蒸汽充满反应器时，在反应器的隔层以上部分迅速放入实心闭合金属感应加热线圈；