一种在钢铁材料表面快速制备C3N4涂层的方法

本发明属于材料表面改性，具体涉及一种快速制备c3n4涂层的方法。

背景技术：

1、不锈钢因其优异的耐腐蚀性成为能源、化工、核电、船舶工程和医疗中最常用的材料之一。然而随着社会的发展和科技的进步，越来越多的工业产品和高端零部件都需要更好的耐磨性和硬度，而表面改性是提高不锈钢耐磨性和硬度的有效方法。现有的研究中g-c3n4主要用于催化作用，并没有应用其力学性能。c3n4作为一种人工合成的超硬材料，如果可以在不锈钢表面制备，则能显著提升不锈钢的硬度和摩擦磨损性能。目前c3n4的制备方法主要有高温高压法、爆炸合成法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、离子注入法和电化学沉积法等。ming等人采用高温高压法在1600-3000k，21-38gpa的环境中制备出了立方c3n4。(ming l c,zinin p,meng y,et al.a cubic phase of c3n4 synthesized in thediamond-anvil cell[j].journal of applied physics,2006,99(3).)。专利cn101323437a用c2h4n4、c2h3n5和c作为前驱物，采用爆炸合成的方法制备出了β-c3n4超硬材料。chebanenko等人采用物理气相沉积将g-c3n4在管式炉中进行梯度加热，使其产生的气态产物从管式炉的一端转移到另一端的石英基底上进行沉积，进而获得了具有光学性能的薄膜(chebanenko m i,lebedev l a,ugolkov v l,et al.chemical and structuralchanges of g-c3n4 through oxidative physical vapor deposition[j].appliedsurface science,2022,600:154079.)。schutjajew等人采用化学气相沉积的方法，使用三聚氰胺作为前聚体，在石英管中加热，使其生成的c3n4直接升华，沉积在碳基体表面，制备出了复合材料。(preparation of hard carbon/carbon nitride nanocomposites bychemical vapor deposition to reveal the impact of open and closed porosity onsodium storage[j].carbon,2021,185:697-708.)。cheng等人采用了离子注入的方法将n原子通过离子注入的方法轰击沉积了金刚石薄膜的si基板上，制备出了β-c3n4，具有一定的光学性能(cheng g,xu f,you q,et al.the luminescence of c–n thin films formedby nitrogen ion implantation on a diamond film[j].surface and coatingstechnology,2000,128:320-323.)。上述的方法在制备c3n4时都对环境和设备要求较高，而电化学沉积的方法具有设备和工艺流程简单、反应时间短、在常温常压下即可制备等优点。而目前采用电化学沉积方法制备c3n4的研究较少，并且在这些少数的研究中采用的都是超过1000v的电压和1小时以上的时间进行沉积，造成了极大的能源浪费(li c,cao c b,zhuh s.graphitic carbon nitride thin films deposited by electrodeposition[j].materials letters,2004,58(12-13):1903-1906.)。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有的电化学沉积在不锈钢表面制备c3n4涂层的方法需要采用高电压且时间长的问题，提出了一种在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，本发明缩短了制备时间，降低了反应温度，同时在不锈钢表面制备出的c3n4涂层使得不锈钢具备较高的硬度和较好的减摩与耐磨性。

2、本发明在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法按照以下步骤进行：

3、一、将钢铁材料进行切割、打磨和抛光预处理之后，依次使用丙酮、酒精和去离子水进行超声预清洗，以清洁表面，得到预处理钢铁材料；

4、二、将石墨电极和预处理钢铁材料置于反应容器内，将石墨电极与电源正极相连，预处理钢铁材料与电源负极相连，石墨电极和预处理钢铁材料平行放置；

5、所述石墨电极和预处理钢铁材料间的间距为10mm-15mm；

6、三、向反应容器中加入电解液至液面高于石墨电极和预处理钢铁材料；

7、所述电解液由有机物、电解质和去离子水制备而成；所述有机物为n-n二甲基甲酰胺；所述电解质为kcl或nacl；

8、所述电解液中有机物的体积分数为40％～60％，电解质的质量分数为0.5％～1％；

9、四、打开冷却装置和磁力搅拌装置，同时启动直流电源并设置电压为200v～250v，进行c3n4涂层的制备，制备时间为10-30min。

10、本发明原理及有益效果为：

11、本发明通过两电极之间施加直流电压，使钢铁材料在所配制的n-n二甲基甲酰胺(dmf)和氯化物盐溶液中生成c3n4涂层，从而获得了较高的硬度和耐磨性。具体的反应过程如下：

12、(1)在外加电压的作用下dmf分子转化成带有能量的能量分子：

13、

14、(2)在电极之间施加电位，使钢铁材料表面活化，成为活化反应点，生成的能量分子在活化反应点吸附成为活化分子：

15、

16、(3)活化分子在钢铁材料表面发生反应生成c3n4薄膜：

17、

18、在反应过程中，首先是溶液中的dmf分子在外加电压的作用下发生了极化，使dmf分子的电子分布发生了改变，变为带有能量的能量分子；随后试样钢铁材料表面产生活化点，能量分子吸附在钢铁材料表面的活化点上，在反应的活化点形成高反应活性的活化分子；最后这些高反应活性的活化分子在后续的反应中转变为c3n4薄膜和其他的一些副产物(如气体等)，随着反应的进行最终在试样钢铁材料表面形成了c3n4薄膜。

19、本发明在钢铁材料表面制备的c3n4涂层可以显著提升未处理钢铁材料表面的摩擦磨损性能和硬度，摩擦系数最低达到0.3，磨损率可最高可降低85.7％，表面硬度最高可达1380hv0.05。

20、本发明与现有的电化学沉积法制备c3n4涂层相比，采用了有机物+电解质+去离子水的电解液方案，与采用纯有机物的电化学沉积法相比多添加了电解质和去离子水，可以提高反应电流，为反应提供更多的能量，更快的击穿两电极之间的电解液，使反应的电压和时间降低。

技术特征：

1.一种在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法按照以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤一所述钢铁材料为不锈钢。

3.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤一所述钢铁材料的形状为圆柱形，长方形或圆片。

4.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤一所述打磨采用不低于800#砂纸。

5.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤二所述预处理钢铁材料与电源负极相连时采用不锈钢夹具。

6.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤二所述石墨电极和预处理钢铁材料间的间距为10mm。

7.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤三所述反应容器材质为石英、亚克力或玻璃。

8.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤三所述电解液中有机物的体积分数为50％，电解质的质量分数为0.6％。

9.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：步骤四所述冷却装置为冷却槽。

10.根据权利要求1所述的在钢铁材料表面快速制备c3n4涂层的方法，其特征在于：

技术总结一种在钢铁材料表面快速制备C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;涂层的方法，涉及一种快速制备C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;涂层的方法。本发明为了解决现有的电化学沉积在不锈钢表面制备C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;涂层的方法需要采用高电压且时间长的问题。方法：将钢铁材料进行切割、打磨和抛光预处理之后清洗，将石墨电极与电源正极相连，预处理钢铁材料与电源负极相连，石墨电极和预处理钢铁材料平行放置；向反应容器中加入电解液至液面高于石墨电极和预处理钢铁材料；启动直流电源并设置电压为200V～250V，进行C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;涂层的制备，制备时间为10‑30min。本发明缩短了制备时间，降低了反应温度和沉积电压，同时在不锈钢表面制备出的C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;涂层使得不锈钢具备较高的硬度和较好的减摩与耐磨性。技术研发人员：刘瑞良,刘泉利受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学技术研发日：技术公布日：2024/5/27