三明治结构石墨烯/SiC/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法与流程

本发明涉及输氢管道的氢损伤预防，特别涉及一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法。

背景技术：

1、随着近年来绿色能源领域的发展特别是氢能的发展，氢能的使用量日益增大。因此，输氢方式的研究已成为热点。在我国，长距离输氢管道的研究与建设正处于起步阶段。众所周知，氢在钢质管道中易形成氢脆，导致管道失效破坏，严重可能引发爆炸事故。因此预防氢损伤，提高输氢、运氢安全性，已成为输氢管道研究的关键问题，阻氢涂层应运而生。其中复合型阻氢涂层中存在不同材料之间的界面,这些界面在一定程度上可以充当捕获氢的陷阱，并且复合涂层内存在的悬挂键在一定程度上也能提高涂层的阻氢性能，这使得复合型阻氢涂层成为研究热点。但现有的复合型阻氢涂层仍旧存在阻氢效果有限，或是制备工艺流程过于繁琐且厚度难以把控等缺陷，以至于难以实现复合阻氢涂层的大规模工业化应用。

2、而研究表明，钛基陶瓷、铝化物、硅化物、氧化物等均呈现出良好的阻氢性能，其中sic涂层因具有良好的抗高温氧化、抗强辐照、抗强腐蚀、耐高温强度等性能，其内部的氢扩散系数比钢基体低大约6个数量级，使其成为一种极具潜力的阻氢涂层材料。

3、石墨烯涂层具有质轻、化学热稳定性高、机械强度大等优点，且拥有网状结构致密电子云分布，这种结构对分子、原子和离子等粒子具有很强的阻挡特性，因此以石墨烯作为阻氢涂层可有效减少吸附进入涂层氢的浓度，降低氢渗透的同时减缓涂层内氢的积累。

4、此外，目前制备阻氢涂层的方法大致分为两类：(1)材料自身氧化形成表面氧化膜；(2)利用化学或物理方法在材料表面沉积碳化物、氧化物或氮化物膜。而针对第二类涂层制备方法目前主要的制备技术有等离子喷涂、化学气相沉积、磁控溅射等。其中，等离子喷涂形成的涂层结构致密，与基体结合力好，但制备时易产生孔洞等缺陷影响涂层的阻氢性能；化学气相沉积法沉积温度过高，会导致金属热变形；而磁控溅射技术具有成膜均匀且成膜速率高，基片温度低，涂层结合力好，且厚度可控等优点，并且通过改变溅射工艺参数还可调控涂层的微观形貌，进而优化制得涂层的质量及性能。

技术实现思路

1、本发明的意义在于能够将石墨烯和sic的阻氢优势相结合，并通过三明治结构的特殊设计以及元素掺杂进一步提高涂层的阻氢性能，最终提供出一种制备工艺简单，在成分、微观形貌及性能上可控，与基体结合力强，且具备良好阻氢效果的新型复合涂层及其制备方法。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，所述方法包括：

4、在预处理后的钢基体表面磁控溅射掺杂的石墨烯涂层；

5、在所述掺杂的石墨烯涂层表面磁控溅射掺杂的sic涂层；

6、在所述掺杂的sic涂层表面磁控溅射掺杂的石墨烯涂层，得到三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层。

7、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的石墨烯涂层中包括粒径为0.1～0.3nm的pd、ag、au、al、mo、cu以及w粒子中的一种或多种。

8、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的石墨烯涂层中掺杂金属的质量百分比≤10wt％。

9、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的sic涂层中包括ti和/或n的掺杂。

10、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的sic涂层的成分组成为si1-xtixc1-yny，其中0≤x，y≤1，且x，y不同时为0。

11、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的石墨烯涂层的厚度为50～100nm。

12、作为本发明的进一步改进，所述掺杂的sic涂层的厚度为100～250nm。

13、作为本发明的进一步改进，所述磁控溅射掺杂的石墨烯涂层包括：

14、控制溅射温度为600～1000℃；溅射气压为0.5～3.0pa；氩气流速为14～40sccm；将掺杂金属靶材与石墨靶进行共溅，并控制石墨靶的溅射功率为80～300w；控制掺杂金属靶材的溅射功率为50～100w。

15、作为本发明的进一步改进，所述磁控溅射掺杂的sic涂层包括：

16、控制溅射气压为0.3～2.0pa；氩气流速为10～150sccm；氮气流速为2～50sccm；c靶材溅射功率为12～100w；si靶材溅射功率为60～300w；ti靶溅射功率为60～80w。

17、本发明还提供了一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层，所述复合阻氢涂层是由前述任一项所述的制备方法制备得到。

18、本发明还提供了一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层在预防输氢管道氢损伤中的应用。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明提供的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，通过在预处理后的钢基体表面磁控溅射掺杂的石墨烯涂层；接着在掺杂的石墨烯涂层表面磁控溅射掺杂的sic涂层；最后在掺杂的sic涂层表面磁控溅射掺杂的石墨烯涂层，从而得到一种三明治结构的石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层。通过以上方式，本发明能够将石墨烯涂层和sic涂层在阻氢方面的优势更好地结合，形成优势互补，并以一种三明治结构的特殊设计结合元素掺杂进一步提高复合涂层的阻氢性能。该方法制备的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合涂层在成分、微观形貌及性能上可控，涂层与基体结合力强，并且制备工艺简单易于实现大批量生产；同时选用掺杂的石墨烯涂层作为复合涂层中直接与管道表面和氢能相接触的部分不但可以很好地利用势垒实现阻氢性能，有效减少吸附进入涂层氢的浓度，而且其结构可能会在一定程度上储存进入涂层的少量氢，进一步降低下层涂层的阻挡压力；并且设置于夹心部的掺杂sic涂层可以利用其自身极低地氢扩散系数，进一步阻断氢在涂层内部的扩散，从而实现良好的阻氢效果，且该工艺制备的涂层厚度可控，便于对其性能进行调控和测试。

21、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

4.根据权利要求1～3任一项所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

6.根据权利要求1所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，

8.根据权利要求1所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射掺杂的石墨烯涂层包括：

9.根据权利要求1所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层的制备方法，其特征在于，所述磁控溅射掺杂的sic涂层包括：

10.一种三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层，其特征在于，

11.一种权利要求10所述的三明治结构石墨烯/sic/石墨烯复合阻氢涂层在预防输氢管道氢损伤中的应用。

技术总结本发明公开一种三明治结构石墨烯/SiC/石墨烯复合阻氢涂层，在预处理后的钢基体表面依次磁控溅射掺杂的石墨烯、掺杂的SiC和掺杂的石墨烯，制得一种复合阻氢涂层。其能够结合石墨烯和SiC在阻氢方面的优势，以一种三明治结构的特殊设计配合元素掺杂进一步提高涂层的阻氢性能。该涂层在性能上可控，与基体结合力强，且制备工艺简单易实现大批量生产；选用的掺杂石墨烯作为复合涂层中直接与管道和氢能相接触的部分不但很好地利用势垒实现阻氢，减少吸附进涂层中氢的浓度，而且其结构可能储存部分进入涂层的少量氢，进一步降低下层涂层的阻挡压力；同时设置于夹心部的掺杂SiC可利用自身极低地氢扩散系数，进一步阻断氢在涂层内部扩散，实现良好的阻氢效果。技术研发人员：张翔,陈盈,宋衍滟受保护的技术使用者：中国石油天然气集团有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/13