[发明专利]一种钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛合金材料性能改进技术领域，涉及一种在钛合金表面制备薄膜以提高钛合金表面摩擦学性能的方法。

背景技术

钛合金因具有良好的综合机械性能和抗蚀性能，被广泛应用于航空和航天、石油化工等领域。由于钛合金具有良好的生物相容性、较高的比强度和优良的抗疲劳性能，再加上其较低的弹性模量与骨相近，能够有效地将载荷转移到周围的健康骨，可以将钛合金用于关节骨材料。

但由于钛的化学亲和性比较大，易在摩擦表面产生粘附，导致摩擦系数增大。钛合金表面形成的氧化钛耐磨性差，在摩擦过程中容易剥落，加剧关节的磨粒磨损。同时大量的金属离子聚集在关节周围，容易引发异常的生物化学反应，导致关节松动失效。因此，必须对钛合金表面进行改性，以提高其摩擦性能。

石墨烯是碳原子通过sp²轨道杂化形成的六角形蜂窝晶格的单层薄膜。它是迄今为止世界上最薄也是最坚硬的纳米材料，具有巨大的比表面积(2600m²/g)和比强度(抗拉强度125GPa)，其强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，是已知材料中强度和硬度最高的晶体结构。而且石墨烯质量轻，耐磨性和耐腐蚀好，导热性能优异。

通过在钛合金表面沉积石墨烯薄膜可以极大地减小摩擦系数，提高耐磨性，改善其生物摩擦性能。但是石墨烯本身比较稳定，如果直接在钛合金表面沉积薄膜，这样基体与薄膜之间的结合力不够强，形成的薄膜在摩擦过程中容易脱落。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种通过硅烷与含活性官能团的氧化石墨烯反应，在钛合金表面制备硅烷-氧化石墨烯复合薄膜的方法，以提高钛合金的摩擦学性能。

发明内容

本发明的目的克服上述钛合金摩擦性能方面的缺陷而提供一种钛合金表面制备石墨烯薄膜的方法，通过该方法在钛合金表面制备的薄膜拥有较低的摩擦系数，可以极大地提高钛合金的摩擦学性能。

为实现上述目的，本发明提供了一种钛合金表面石墨烯薄膜的制备方法，本发明的技术方案分为三个阶段，首先在室温下对抛光处理过的钛合金片表面进行羟基化预处理，然后通过自组装方法在钛合金表面制备氧化石墨烯薄膜，最后将氧化石墨烯薄膜进行还原处理。具体方案包括如下步骤：

a.将表面抛光处理后的钛合金放入异丙醇溶液中超声，再用超纯水冲洗，然后缓慢放入piranha溶液中静置，取出后将处理后的钛合金放入新的piranha溶液中进行二次静置，使钛合金表面羟基化；本发明所用超纯水是指电阻率大于18MΩ·cm(25℃时)的水。

b.将羟基化后的钛合金用去离子水清洗后，置入氨基硅烷溶液中；

c.将氧化石墨烯粉末放入适量蒸馏水中，超声波分散，得到稳定的氧化石墨烯胶体；

d.将经所述步骤b处理后的钛合金浸入所述步骤c得到的氧化石墨烯胶体中，在密闭容器中持续保持恒温；

e.将经所述步骤d处理后的钛合金浸入氢卤酸和磷酸的混合溶液中，在密闭容器中加热；

f.将经所述步骤e处理得到的产品用去离子水反复冲洗，直至冲洗后的溶液pH为中性，然后将冲洗后的产品干燥。

优选地，上述步骤a中：钛合金包含选自Ti₆Al₄V、Ti₆Al₇Nb和Ti₁₂Mo₅Ta中的一种；异丙醇的浓度为按质量百分比计70％；piranha溶液为按质量百分比计浓度为98％的浓硫酸和按质量百分比计浓度为30％的双氧水按体积比7:3混合的溶液；钛合金在异丙醇溶液中超声的时间为30～60min；用超纯水冲洗次数为3～5次；在piranha溶液中首次静置时间为10～30min；二次静置时间为5～10min。

优选地，上述步骤b中，氨基硅烷溶液是以按5:1体积比混合的甲苯和水为溶剂，以γ-(2,3-环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷为溶质，溶质的浓度为0.5～2mmol/L；用去离子水清洗的次数为3～5次；羟基化后的钛合金在氨基硅烷溶液溶液中的置放时间为2～12h。

优选地，上述步骤c中的超声波分散时间为30min～2h；得到的所述氧化石墨烯胶体的浓度为0.1～2mg/ml。

优选地，上述步骤d中，密闭容器的恒定温度范围为40～80℃、恒温持续时间为10～24h。