一种碳基复合涂层的制备方法

本发明涉及材料表面处理，特别涉及一种碳基复合涂层的制备方法。

背景技术：

1、随着航空和汽车领域的快速发展，对关键运动部件在高温工况下的性能提出了更高的要求。尽管传统材料如金属合金和陶瓷在常温下具有良好的耐磨性能，但在高温环境中，它们常因氧化或硬度降低而失效。碳基材料，尤其是金刚石和石墨烯，由于其卓越的硬度、耐磨损和抗氧化性，在高温耐磨领域展现出巨大的潜力。

2、目前，现有技术中，依赖弱范德华力实现石墨烯涂层与金刚石涂层的结合，这种方式虽然使得两种材料得以组合，但在高温摩擦环境下，弱相互作用导致的结合力不足会因热力学不稳定而加速衰减，限制了其在摩擦领域中的使用寿命和性能。此外，生长石墨烯的关键步骤之一是在金刚石表面精确刻蚀催化层，这一步骤要求极高的精度和控制性。如果催化层的刻蚀过程无法精确控制，将导致石墨烯生长的不均匀性和界面结合强度，从而影响其最终的质量和性能。而化学气相沉积(cvd)等常规方法虽然可以在金刚石表面生长石墨烯，但催化层的刻蚀过程不易控制，且在处理大面积或复杂形状的基底时，石墨烯涂层与金刚石涂层之间的均匀性较差，导致两者之间的附着力不足。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种碳基复合涂层的制备方法，可以精确控制催化层的刻蚀过程，从而改善石墨烯涂层与金刚石涂层之间的均匀性，提高两者之间的附着力。

2、一种碳基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

3、步骤s10，采用沉积方法在工件基材的表面上形成金刚石涂层，并利用磁控溅射技术在所述金刚石涂层的表面上形成催化层；

4、步骤s11，对含有所述催化层的工件基材进行高温退火，以诱导碳原子在所述催化层的表面上原位生长，且原位生长的碳原子均匀排列形成石墨烯涂层；

5、步骤s12，将含有所述石墨烯涂层的工件基材浸泡在混合酸性溶液中，控制腐蚀力度和速度进行超声刻蚀，以去除残留的所述催化层，即在工件基材的表面形成含有金刚石涂层和石墨烯涂层相结合的碳基复合涂层。

6、相较现有技术，本发明中，由于采用磁控溅射技术有利于在金刚石涂层的表面均匀地沉积催化层，该催化层为生长更均匀且更完整的石墨烯涂层提供了理想的界面；而混合酸性溶液通过改变各组分比例，以及精细调节混合酸性溶液的腐蚀力度和速度，可以对催化层进行选择性刻蚀而不损伤金刚石和石墨烯涂层，进一步确保了金刚石涂层和石墨烯涂层之间的直接接触，增加了金刚石表面活性位点，有助于与石墨烯形成更多的共价键连接，从而增强碳基复合涂层界面的结合强度，和提高其在高温摩擦条件下的稳定性。

7、进一步地，在所述步骤s12中，所述混合酸性溶液包括水、浓盐酸和硝酸，其中，水的体积占比为65％～70％，盐酸的体积占比为5％～7％，硝酸的体积占比为23％～27％；

8、刻蚀时间为30～180s，刻蚀温度为25～35℃。

9、进一步地，在所述步骤s11中，高温退火的升温速率为6～30℃/min，退火温度为800～1100℃，保温时间为5～20min。

10、进一步地，在所述步骤s10中，磁控溅射技术的参数为：氩气流量为25～50sccm，基体偏压为-70～-30v，沉积功率为100～1000w，沉积气压为0.2～0.5pa，沉积时间为3～15min。

11、进一步地，所述催化层为镍催化层或铜催化层，且厚度为50～200nm。

12、进一步地，在所述步骤s10中，所述金刚石涂层的厚度为1～10μm。

13、进一步地，所述金刚石涂层中的金刚石颗粒为纳米级或微米级，其中，纳米级的平均晶粒粒径为50～100nm，微米级的平均晶粒粒径为1000～2000nm。

技术特征：

1.一种碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤s12中，所述混合酸性溶液包括水、浓盐酸和硝酸，其中，水的体积占比为65％～70％，盐酸的体积占比为5％～7％，硝酸的体积占比为23％～27％；

3.根据权利要求1所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤s11中，高温退火的升温速率为6～30℃/min，退火温度为800～1100℃，保温时间为5～20min。

4.根据权利要求1所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤s10中，磁控溅射技术的参数为：氩气流量为25～50sccm，基体偏压为-70～-30v，沉积功率为100～1000w，沉积气压为0.2～0.5pa，沉积时间为3～15min。

5.根据权利要求4所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述催化层为镍催化层或铜催化层，且厚度为50～200nm。

6.根据权利要求1所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤s10中，所述金刚石涂层的厚度为1～10μm。

7.根据权利要求6所述的碳基复合涂层的制备方法，其特征在于，所述金刚石涂层中的金刚石颗粒为纳米级或微米级，其中，纳米级的平均晶粒粒径为50～100nm，微米级的平均晶粒粒径为1000～2000nm。

技术总结一种碳基复合涂层的制备方法，包括以下步骤：步骤S10，在工件基材的表面上依序形成金刚石涂层和催化层；步骤S11，在所述催化层的表面形成石墨烯涂层；步骤S12，去除残留的所述催化层，以在工件基材的表面形成含有金刚石涂层和石墨烯涂层相结合的碳基复合涂层。本发明中，由于采用磁控溅射技术有利于在金刚石涂层的表面均匀地沉积催化层，该催化层为生长更均匀且更完整的石墨烯涂层提供了理想的界面；而混合酸性溶液通过改变各组分比例，以及精细调节混合酸性溶液的腐蚀力度和速度，可以对催化层进行选择性刻蚀而不损伤金刚石和石墨烯涂层，进一步确保了金刚石涂层和石墨烯涂层之间的直接接触，增加了金刚石表面活性位点，有助于与石墨烯形成更多的共价键连接，从而增强碳基复合涂层界面的结合强度，和提高其在高温摩擦条件下的稳定性。技术研发人员：肖舒,范舒瑜,陈艺浓,吴静受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11