[发明专利]一种在电场诱导下沉积高一致取向的石墨润滑涂层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电场诱导石墨烯润滑涂层制备技术，具体是一种在电场诱导下沉积高一致取向的石墨润滑涂层的制备方法。

背景技术

石墨作为一种典型的固体润滑材料在高温安定性、化学稳定性、导热和导电等方面表现出良好的性能。石墨之所以拥有较好的润滑性能是因为石墨的层状结构，但是实际使用中一般使用粉状石墨作为润滑剂。石墨颗粒之间石墨单层取向不一致，在使用过程中不一致的石墨层因为受力冲击而破碎，造成摩擦系数的增加。石墨烯是由单层sp原子组成的六方蜂巢状二维结构，其理论比表面积高达2600m²/g，具有优异的导热性能(3000W/(m·K))和力学性能(1060GPa)，以及室温下高速的电子迁移率15000cm²/(V·s)。自2004年Geim等用微机械玻璃方法成功制备石墨烯以来，这种材料获得了科学家们的广泛关注。在外加电场下片状石墨烯产生感生偶极矩，所受电场力使得片状石墨烯在外加电场下取向一致。本发明采用电场诱导的方法，制备了取向一致的石墨烯或者氧化石墨单层，采用此法制备的石墨烯或氧化石墨涂层取向高度一致，层与层之间只有分子作用力，极大改善了涂层的摩擦性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种在电场诱导下沉积高一致取向石墨润滑涂层的制备方法，采用电场诱导的方法，制备了取向一致的石墨烯或者氧化石墨单层，采用此法制备的石墨烯或氧化石墨涂层取向高度一致，可作为高真空、高温等环境下的固体润滑剂使用。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种在电场诱导下沉积高一致取向的石墨润滑涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)以石墨为原料制备氧化石墨纳米单层胶体溶液；

2)氧化石墨纳米单层胶体溶液经还原制得石墨烯纳米单层悬浮液；

3)采用电场诱导制备石墨烯涂层：对上述制得的氧化石墨纳米单层胶体溶液或石墨烯纳米单层悬浮液在相互垂直的方向分别连续的施加和基底表面平行的直流或交流电场，使得氧化石墨纳米单层胶体溶液或石墨烯纳米单层悬浮液在电场力的作用下平行于基底表面，即获得高一致取向的石墨烯或氧化石墨烯涂层；

或者在需要涂覆固体润滑剂涂层的机械零件表面施加相互垂直且与零件表面平行的直流或交流电场，并将上述制得的氧化石墨纳米单层胶体溶液或石墨烯纳米单层悬浮液涂覆至机械零件表面，待溶液挥发后得到高一致取向的石墨烯或氧化石墨烯涂层；

最后对于氧化石墨烯涂层，还需要将氧化石墨烯涂层在氢气中退火还原即可得到高一致取向石墨烯涂层。步骤1)和步骤2)可以互换。

作为改进，所述步骤1)氧化石墨纳米单层胶体溶液的制备过程为：将石墨与氧化剂混合搅拌氧化后加入双氧水，离心抽滤并使用稀盐酸溶液洗涤，最后使用蒸馏水洗涤至中性，然后将所得黄褐色氧化石墨沉淀加入去离子水，超声后离心处理，取上层清液，得到氧化石墨纳米单层溶液，其中所述氧化剂是指高锰酸钾、硝酸钠和硫酸的混合液，石墨与硝酸钠的质量比为1.8～2.2∶1，石墨与高锰酸钾质量比为1∶2.5～3.5，石墨与硫酸的质量比为1∶2～50，硫酸浓度为60～98(wt)％，所述双氧水的加入量与石墨的比例为2～4mL∶1g，稀盐酸的浓度为5～20(wt)％。

作为改进，所述步骤2)石墨烯纳米单层悬浮液的制备过程为：将步骤1)得到的氧化石墨纳米单层溶液离心，在水溶液中超声分散并加入适量水合肼，然后在85～95℃回流8～12小时，过滤洗涤并分散至乙醇中即得稳定的浓度为0.15～0.25g/L的石墨烯胶状悬浮液，其中水合肼的加入量与石墨的比例为0.3～0.7mL∶1g。

再改进，所述步骤3)中施加电场分为两个方向并相互垂直，且两个电场都平行于基底表面，并且当其中一个方向施加电场时，另一个方向不施加电场。

优选，所述步骤3)中施加电场为直流电场时其电压范围为20V～1000V。

最后，所述步骤3)中施加电场为交流电场时其电压范围为30V～1000V，频率范围为50Hz～1000Hz。

与现有技术相比，本发明的优点在于：采用电场诱导的方法，制备了取向一致的石墨烯或者氧化石墨烯涂层，采用此法制备的石墨烯或氧化石墨烯涂层取向高度一致，层与层之间只有分子作用力，极大改善了涂层的摩擦性能。本发明的制备方法简单，所制备的涂层可作为高真空、高温环境下的固体润滑剂使用。

附图说明

图1为外加电场装置示意图；