一种氧化钛包覆氧化石墨烯/铝基复合材料表面激光熔覆的方法

摘要

一种氧化钛包覆氧化石墨烯/铝基复合材料表面激光熔覆的方法，在无水环境中，利用水热高压，并在氧化石墨烯自带官能团作用下吸附Ti离子，并在后期焙烧中得到锐钛型的GO@TiO

说明书

技术领域

本发明属于材料制备技术领域。

背景技术

石墨烯纳米片是由sp2杂化碳原子组成的单原子层厚度的二维材料，其展现出一系列不同寻常的物理性能。石墨烯纳米片因其特殊的二维结构，引起了物理、化学和材料学界研究学者的极大兴趣，有关石墨烯的基础研究和工程应用研究成为近几年的研究热点。由于石墨烯具有高的强度，其抗拉强度可达130GPa，暗示着石墨烯在材料应用研究上有巨大的应用空间。

事实上，利用碳材料如碳纳米管或石墨烯来增强铝基材料的强度以及其他力学性能的研究一直在进行，并取得了一定程度的进展。然而，由于其极其突出的强度等物理特性，人们反而忽视了其在材料磨损性及硬度上的优异属性。大量研究表明，增强相的正确选择可直接提高复合材料的耐磨性能及硬度。而氧化石墨烯（GO）由于其碳材料的基本属性，自然继承了其自润滑以及较好的散热性等不同于其它增强材料的特质。因而正确的使用可有效地减少材料的损耗。

然氧化石墨烯的缺陷也较为明显。氧化石墨烯类似于CNT的结构表现出极差的润湿性，这直接导致了与铝基体界面结合性不强，不利于复合材料的制备。因而，改善其与基体的润湿性并选择正确的工艺方法成为使用石墨烯增强铝基材料磨损的关键。

目前氧化石墨烯改善润湿性方法有表面镀层等，如化学镀镍，该方法主要是将羧基化的石墨烯经过敏化，活化后，放入化学镀液中施镀，随着反应的进行可在氧化石墨烯表面得到颗粒状镀层，但价格昂贵，并常用到有毒试剂，不环保且生产成本高，不适合大规模生产。

在公开专利号CN106148949A，名称为：“一种激光-感应复合熔覆石墨烯增强Ni3Ti复合材料的方法”中。利用化学镀对石墨烯进行预处理得到镀镍的石墨烯。再混粉进行常规激光烧结。事实上该方法由于化学镀的局限性，对人体伤害较大，并且还需要单独对石墨烯羧基化，生产周期长，同时利用的为喷粉烧结法，对于该类粉末浪费度较高，具有一定的局限性。

因此，目前仍然缺乏一种经济有效的氧化石墨烯增强铝基复合材料制备与成形技术。

发明内容

为了克服传统氧化石墨烯复合材料制备成型的技术难点，本发明的目的是提供一种利用氧化石墨烯增强铝基表面耐磨性的熔覆技术。它是在基材表面添加混合粉末，利用特定功率的激光使得粉末本身形成或与基体化合形成一层保护层。相比较于电镀等传统表面处理工艺，它具有诸多优点，如适用的基体材料选择范围广、熔覆层可控性高、定制性能强、结合性能好等。

激光熔敷技术包括粉末的选择配比、环境的控制以及工艺参数的确定三个关键环节， 这三个环节环环相扣，都直接影响产品的质量。

在本发明中，利用水热法对氧化石墨烯进行预处理，后再利用丙三醇的胶黏态保持其分散性及材料的附着性，达到减少混粉过程中由于不同密度而导致的不均匀性。

本发明的具体原理为：

3TiO₂>2O₃（1）

Ti₃Al>

通过引入氧化钛或者钛元素在铝基体表面，在高温下钛与铝直接反应生成钛铝间化合物。并利用氧化石墨烯的自润滑以及极强的导热性，使得材料的表面硬度直线提高，同时有效地减少了材料表面的摩擦系数。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明所述的一种氧化钛包覆氧化石墨烯/铝基复合材料表面激光熔覆的方法，包括以下步骤。

（1）将氧化石墨烯在分析纯乙醇中超声预分散1~3h，温度为室温，全程控制无水汽。氧化石墨烯与乙醇的配比为0.2~0.4g : 50ml。

（2）将经步骤（1）预处理后的氧化石墨烯分散液倒入丙三醇及钛酸四异丙酯组成的前驱液中密封，并再次超声处理1~1.5h。这其中，丙三醇及钛酸四异丙酯体积比为10:0.4~1.2。

（3）把经步骤（2）的前驱悬浊液导入水热反应釜中，其中悬浊液体积占反应釜溶积35%～70%。再将反应釜整体放入反应炉中加热，以1～5℃/min升温至70～110℃，保温1～2h，再以1～3℃/min升温至175~180℃后，保温10～15h后将反应釜取出；反应釜应空冷至室温后方可打开。

（4）把经步骤（3）所得溶体取出，离心处理，并通过倒入分析纯乙醇多次离心至溶体无色，转速控制在9000~16000rpm。全程密封保证无水汽。

（5）把步骤（4）得到的混合粉末真空烘干，后将该粉末在氩气保护下450~500℃中焙烧。时间控制在1~3h。可得到表面具有针状锐钛型氧化钛涂层的氧化石墨烯。

（6）把步骤（5）所得粉末放入烧杯中并加入一定量的钛粉，并加入一定量的丙三醇，这其中钛粉与氧化石墨烯的质量比为14.5~17:1。丙三醇占总体积比为2~4.5%，为气孔控制的关键，接着用超声处理一小时，该混粉过程应保持较好的干燥度，最后得到胶黏态的混合粉末。

（7）将基体铝用1500~2000#砂纸打磨，酒精清洗烘干，把步骤（6）所得胶黏态混合粉末均匀涂抹于基体表面，预制厚度控制为0.7~1.2mm。再用火焰枪快速均匀预烧结粉末于基体表面。

（8）把步骤（7）所得材料放入氩气保护箱中，利用激光熔覆对材料进行处理。其工艺参数控制为：激光功率为0.7~0.9Kw，扫描速度为5.5~8mm/s，光斑直径为3~5mm，这其中，倾斜角较为关键，控制为20~35°。

本发明步骤（3）所述的水热反应釜内衬为聚四氟乙烯。

本发明具有以下技术效果：（1）该方法减少了常规混粉工艺中由于密度差异导致的分层现象。（2）利用本身脂类的粘稠度可减少常规喷粉所造成的粉尘污染，更加环保。（3）该方法反应温度较低，危险系数低。（4）有过渡层的氧化石墨烯在铝基材料表面与基体结合，具有更好界面的同时，进一步减少了氧化石墨烯团聚几率。

具体实施方式

本发明将通过以下实施例作进一步说明。

实施例1。

将氧化石墨烯在分析纯乙醇钟超声预分散1h，温度为室温，全程控制无水汽。配比严格控制在0.2g:50ml，后将所得分散液倒入丙三醇及钛酸四异丙酯组成的前驱液中密封超声处理1h。这其中，丙三醇及钛酸四异丙酯体积比为10:0.4。之后进行水热处理，其中悬浊液体积占反应釜溶积50%。再放入反应炉中加热，以5℃/min升温至90℃，保温2h，再以3℃/min升温至180℃后，保温10h。取出反应釜后空冷。所得溶体取出，离心处理，并通过倒入分析纯乙醇多次离心至溶体无色。全程密封保证无水汽。后将所得粉末在氩气保护下450℃中焙烧。时间控制在2h。可得到表面具有针状锐钛型氧化钛涂层的氧化石墨烯。

之后将所得粉末与钛粉在烧杯中配比，并加入一定量的丙三醇，这其中钛粉与氧化石墨烯的质量比为16:1。丙三醇占总体积比为2%，处理全程无水汽，并接着用超声处理一小时。得到胶黏态的混合粉末。将基体铝A356用1500~2000#砂纸打磨，酒精清洗烘干。把所得胶黏态混合粉末均匀涂抹于基体表面，预制厚度控制为0.7mm。再用火焰枪快速均匀预烧结粉末于基体表面。之后在氩气保护箱中利用激光熔覆对材料进行处理。其工艺参数控制为：激光功率为0.7Kw，扫描速度为6mm/s，光斑直径为3mm，这其中，倾斜角控制为20°。结果表明相比较于单纯镀钛粉，摩擦系数载特定载荷下由0.43下降至0.38左右。

实施例2。

将氧化石墨烯在分析纯乙醇钟超声预分散3h，温度为室温，全程控制无水汽。配比严格控制在0.2g:50ml，后将所得分散液倒入丙三醇及钛酸四异丙酯组成的前驱液中密封超声处理1h。这其中，丙三醇及钛酸四异丙酯体积比为10:0.8。之后进行水热处理，其中悬浊液体积占反应釜溶积50%。再放入反应炉中加热，以3℃/min升温至90℃，保温1h，再以2℃/min升温至180℃后，保温12h。取出反应釜后空冷。所得溶体取出，离心处理，并通过倒入分析纯乙醇多次离心至溶体无色。全程密封保证无水汽。后将所得粉末在氩气保护下450℃中焙烧。时间控制在1h。可得到表面具有针状锐钛型氧化钛涂层的氧化石墨烯。

之后将所得粉末与钛粉在烧杯中配比，并加入一定量的丙三醇，这其中钛粉与氧化石墨烯的质量比为16:1。丙三醇占总体积比为3%，处理全程无水汽，并接着用超声处理一小时。得到胶黏态的混合粉末。将基体铝ZL105用1500~2000#砂纸打磨，酒精清洗烘干。把所得胶黏态混合粉末均匀涂抹于基体表面，预制厚度控制为0.7mm。再用火焰枪快速均匀预烧结粉末于基体表面。之后在氩气保护箱中利用激光熔覆对材料进行处理。其工艺参数控制为：激光功率为0.8Kw，扫描速度为7mm/s，光斑直径为4mm，这其中，倾斜角控制为25°。结果表明相比较于单纯镀钛粉，在特定载荷下摩擦系数由0.43下降至0.37左右。

实施例3。

将氧化石墨烯在分析纯乙醇钟超声预分散2h，温度为室温，全程控制无水汽。配比严格控制在0.4g:50ml，后将所得分散液倒入丙三醇及钛酸四异丙酯组成的前驱液中密封超声处理1h。这其中，丙三醇及钛酸四异丙酯体积比为10:0.4。之后进行水热处理，其中悬浊液体积占反应釜溶积60%。再放入反应炉中加热，以1℃/min升温至100℃，保温2h，再以3℃/min升温至180℃后，保温10h。取出反应釜后空冷。所得溶体取出，离心处理，并通过倒入分析纯乙醇多次离心至溶体无色。全程密封保证无水汽。后将所得粉末在氩气保护下500℃中焙烧。时间控制在1h。可得到表面具有针状锐钛型氧化钛涂层的氧化石墨烯。

之后将所得粉末与钛粉在烧杯中配比，并加入一定量的丙三醇，这其中钛粉与氧化石墨烯的质量比为16:1。丙三醇占总体积比为2%，处理全程无水汽，并接着用超声处理一小时。得到胶黏态的混合粉末。 将基体铝用1500~2000#砂纸打磨，酒精清洗烘干。把所得胶黏态混合粉末均匀涂抹于基体表面，预制厚度控制为0.7mm。再用火焰枪快速均匀预烧结粉末于基体表面。之后在氩气保护箱中利用激光熔覆对材料进行处理。其工艺参数控制为：激光功率为0.9Kw，扫描速度为7mm/s，光斑直径为5mm，这其中，倾斜角控制为30°。结果表明相比较于单纯镀钛粉，在特定载荷下，摩擦系数由0.43下降同样至0.357左右。