一種在鎂合金表面制備氧化石墨烯與微弧氧化陶瓷復(fù)合膜層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種在鎂合金表面制備膜層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 石墨?。╣raphene)是2004年被發(fā)現(xiàn)的一種新型二維納米材料。石墨稀表現(xiàn)出來 的獨特電子與物理特性，在分子電子學(xué)、微納米器件、復(fù)合材料、場發(fā)射材料、傳感器、電池 與儲氫材料等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。從石墨烯身上，人們看到了碳納米材料更多實用 化的可能，所以盡管石墨烯的發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在才幾十年，但它已經(jīng)激起科學(xué)家們極大的研宄興 趣，迅速成為材料科學(xué)與凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的研宄熱點，具有重要的理論與實驗研宄價值， 可望在21世紀(jì)掀起一場新的碳納米材料的技術(shù)革命。
[0003] 研宄表明由氧化石墨剝離制備的氧化石墨烯（GO)含有大量的含氧活性基團(tuán)，包 括羧基、羰基、羥基與環(huán)氧基等，環(huán)氧基與羥基主要位于氧化石墨烯的基面上，而羧基與羰 基則通常分布于氧化石墨烯的邊緣處。所以極易溶解于水中，形成氧化石墨烯的膠體溶液， 水溶液環(huán)境為氧化石墨烯的羧基和羥基提供了豐富的氫離子，伴隨著水分的蒸發(fā)，氧化石 墨烯片層由于氫鍵的作用，自組裝形成結(jié)構(gòu)整齊的氧化石墨烯薄膜。這種薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能 夠經(jīng)受酸堿的腐蝕并且具有較強(qiáng)的不透性，能夠有效阻止腐蝕介質(zhì)的侵蝕，大大提高鎂合 金耐腐蝕性能。
[0004] 微弧氧化技術(shù)（Microarc oxidation，MA0)又稱微等離子體氧化（Micro-plasma oxidation, ΜΡ0)，是一種在金屬表面原位生長陶瓷膜的新技術(shù)，在錯、鎂、鈦及其合金表面 依靠弧光放電產(chǎn)生的瞬時高溫高壓作用，能直接把基體金屬氧化燒結(jié)成氧化物陶瓷膜，不 從外部引入物料，有別于一般表面改性技術(shù)，使得微弧氧化膜既有陶瓷膜的高性能，又保持 了氧化膜與基體的結(jié)合力。微弧氧化膜層結(jié)構(gòu)致密，韌性高，具有良好的耐磨、耐腐蝕、耐高 溫沖擊和電絕緣等特性。
[0005] 該技術(shù)具有操作簡單和易于實現(xiàn)膜層功能調(diào)節(jié)的特點，而且微弧氧化技術(shù)比等離 子噴涂、激光熔覆等技術(shù)的工藝簡單，便于操作，不造成環(huán)境污染，是一項全新的綠色環(huán)保 型材料表面處理技術(shù)；它的膜層比陽極氧化技術(shù)所得的氧化膜均勻致密，綜合機(jī)械性能高。 微弧氧化膜層具備了陽極氧化膜和陶瓷膜層兩者的優(yōu)點，在軍工、航空航天、機(jī)械、紡織、汽 車、醫(yī)療、電子、裝飾等許多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
[0006] 然而，在微弧氧化工藝條件中，將工作電壓由普通陽極氧化的法拉第區(qū)域引入到 高壓放電區(qū)域，這使得陶瓷膜層中多存大量的放電通道，正因如此，這種特殊的多孔結(jié)構(gòu)， 這使得陶瓷膜層在腐蝕過程中，與腐蝕介質(zhì)有較大的接觸面積，不能長久有效的提供保護(hù) 機(jī)制，不利于鎂合金的廣泛應(yīng)用。因此，如何有效的建立微弧氧化陶瓷膜層封孔機(jī)制，尤為 重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的是要解決微弧氧化陶瓷膜層為多孔結(jié)構(gòu)，在腐蝕過程中與腐蝕介質(zhì) 有較大的接觸面積，導(dǎo)致耐腐蝕性差的問題，而提供一種在鎂合金表面制備氧化石墨烯與 微弧氧化陶瓷復(fù)合膜層的方法。
[0008] -種在鎂合金表面制備氧化石墨烯與微弧氧化陶瓷復(fù)合膜層的方法，是按以下步 驟完成的：
[0009] 一、鎂合金預(yù)處理：依次使用180#SiC砂紙、1000#SiC砂紙和2000#SiC砂紙對鎂 合金進(jìn)行打磨處理，得到表面光亮的鎂合金；
[0010] 二、超聲處理：將表面光亮的鎂合金浸入到丙酮中，在超聲功率為200W~300W下 超聲處理3min~lOmin，得到超聲處理后的鎂合金；
[0011] 三、除油：首先將超聲處理后的鎂合金浸入到溫度為60°C~75°C，濃度為40g/L~ 50g/L的NaOH溶液中IOmin~20min，得到NaOH溶液處理后的鎂合金；將NaOH溶液處理 后的鎂合金浸入到溫度為60°C~75°C，濃度為10g/L~20g/L的磷酸鈉溶液中IOmin~ 20min，得到磷酸鈉溶液處理后的鎂合金；使用蒸餾水對磷酸鈉溶液處理后的鎂合金沖洗3 次~5次，再使用電吹風(fēng)吹干，得到除油后的鎂合金；
[0012] 四、微弧氧化：將除油后的鎂合金置于裝有電解液的不銹鋼電解槽中，除油后的鎂 合金與電源的正極相連接，作為陽極，不銹鋼的電解槽與電源的負(fù)極相連接，作為陰極；采 用脈沖微弧氧化電源供電，在電流密度為0. 5A/dm2~0. 8A/dm2,占空比為10%~40%和電 源頻率為500Hz~2000Hz下微弧氧化5min~15min，得到表面含有微弧氧化陶瓷膜層的鎂 合金；
[0013] 步驟四中所述的電解液由硅酸鈉、氫氧化鉀和氟化鈉組成，溶劑為水；所述的電解 液中硅酸鈉的濃度為20g/L~40g/L，氫氧化鉀的濃度為3g/L~8g/L，氟化鈉的濃度為Ig/ L ~5g/L ;
[0014] 五、制備氧化石墨烯：在o°c下將天然石墨粉加入到硫酸和硝酸的混合酸中，再在 攪拌速度為80r/min~150r/min下攪拌，并將KMnO 4* 2次~5次加入到硫酸和硝酸的混 合酸中；再在攪拌速度為l〇〇r/min~200r/min和溫度為35°C~40°C下攪拌反應(yīng)2h~3h， 再加入蒸餾水，再在攪拌速度為l〇〇r/min~200r/min下攪拌反應(yīng)2h~3h，再加入質(zhì)量分 數(shù)為1. 8%~2%的H2O2溶液，得到反應(yīng)液；將反應(yīng)液在超聲功率為200W~400W下超聲處 理24h~30h，得到懸濁液；依次使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的HCl溶液和蒸餾水對懸濁液洗滌3 次~5次，得到氧化石墨??；
[0015] 步驟五中所述的硫酸和硝酸的混合酸是由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91. 79%~93. 81 %的硫 酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 19 %~9. 21 %的硝酸混合制備而成；所述的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為91. 79 %~ 93. 81 %的硫酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6. 19%~9. 21 %的硝酸的體積比為150: (13~20);
[0016] 步驟五中所述的天然石墨粉的質(zhì)量與硫酸和硝酸的混合酸的體積比為 5g: (120mL ~130mL);
[0017] 步驟五中所述的天然石墨粉與KMnO4的質(zhì)量比為1:3 ;
[0018] 步驟五中所述的硫酸和硝酸的混合酸與蒸餾水的體積比為1: (2~3);
[0019] 步驟五中所述的硫酸和硝酸的混合酸與質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1. 8%~2%的H2O2溶液的體 積比為1: (7~9);
[0020] 六、將氧化石墨烯加入到蒸餾水中，得到濃度為lmg/L的氧化石墨烯溶液；將濃度 為lmg/L的氧化石墨烯溶液涂覆到表面含有微弧氧化陶瓷膜層的鎂合金的微弧氧化陶瓷 膜層上，涂覆3~5次，再在溫度為40°C~50°C下干燥Ih~2h，得到表面覆蓋有氧化石墨 烯與微弧氧化陶瓷復(fù)合膜層的鎂合金。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點：
[0022] 一、本發(fā)明利用自組裝技術(shù)，將氧化石墨烯懸浮液滴涂在鎂合金微弧氧化膜層表 面，氧化石墨烯侵入陶瓷膜層孔道中，原位形成氧化石墨烯復(fù)合膜層，降低陶瓷膜層的孔隙 率，并且氧化石墨烯薄膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠經(jīng)受酸堿的腐蝕，具有良好的不透性，能夠有效阻 止腐蝕介質(zhì)的侵蝕，顯著提高鎂合金耐腐蝕性能；
[0023] 二、本發(fā)明制備工藝簡單，成本價格低廉，適合于不同形狀的器件；本發(fā)明能夠顯 著提高鎂合金耐腐蝕性能；
[0024] 三、ZK60鎂合金的基體腐蝕電流密度為0. 105mA/cm2,經(jīng)微