[发明专利]一种石墨烯增强铁基复合材料的制备方法

说明书

本发明提供一种在低温下(<80℃)利用电镀法制备具有高强度和高耐腐蚀性能石墨烯增强铁基复合材料的方法：将前驱体氧化石墨烯(GO)超声分散在镀铁电解液中，形成较稳定的氧化石墨烯悬浮液，再通入适宜的直流电，使Fe²⁺和氧化石墨烯发生共沉积，在阴极上形成石墨烯增强铁基复合材料。该石墨烯增强铁基复合材料有效地利用了石墨烯的高强度、高耐磨和高耐蚀等特性，实现组元材料的优势互补和加强，极大地提高了铁基镀层的力学和耐腐蚀等性能。本发明具有工艺简单、易操作、性能提高大、环保、可工业化应用等特点，将在机械磨损部件修复、化工、军事、海洋工程、航空航天等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及石墨烯增强铁基复合材料的制备技术，具体为将氧化石墨烯分散在铁的电镀溶液中，通过直流电镀法制得石墨烯增强铁基复合材料，并使复合材料的力学性能和耐蚀性能显著增强。

背景技术

石墨烯(Graphene,Gr)是碳原子以sp2杂化而成的二维蜂窝状结构，是目前发现的最薄的材料。从结构上看，石墨烯可以被称作为其它碳材料的基本单元。这种独特的二维结构，赋予了石墨烯极其优异的物理、化学、力学等性能。例如，单层石墨烯是世界上最薄的材料，厚度仅为0.335nm；石墨烯是目前已知强度最高的材料(强度达130GPa)，约为普通钢的100倍；石墨烯韧性极好，弹性模量可达1.1TPa；石墨烯还具有突出的电导，室温下具有高速的电子迁移率(达15000cm²/(V·s))，约为硅的140倍；石墨烯的热导率高达5150W/(m·K)，是室温下纯金刚石的3倍；石墨烯还具有极高的比表面积，单层石墨烯的理论比表面积高达2630m²/g。石墨烯的这些性能为其在复合材料领域的应用提供了原动力。石墨烯是多种复合材料的理想增强体，其中石墨烯增强金属复合材料可以提高其硬度、抗张强度、延展性、抗腐蚀和抗磨损性等，具有很好的应用前景。2010年诺贝尔奖获得者Geim认为，虽然石墨烯在许多领域取得许多惊人的进展，但石墨烯复合材料是有望最快实现应用的领域之一。

目前，石墨烯增强金属基复合材料的制备方法主要有粉末冶金法、溶胶凝胶法、电化学法等。其中研究最多的是粉末冶金法，它是通过石墨烯与金属粉末混合后，然后通过热压烧结获得复合材料。通过粉末冶金法人们已经制备出了Cu-Gr、Al-Gr等复合材料，但是，利用粉末冶金法制备铁(Fe)与石墨烯的复合材料是不可能的，这是由于Fe元素与C元素之间有很强的亲和力(affinity)，在高温下很容易结合形成Fe₃C、Fe₂₃C₆等各种碳化物，使得石墨烯很难以单质形式存在和保留。一直以来，制备石墨烯增强的铁基复合材料一直是个挑战。

直流电镀铁技术作为一种机械零部件的修复方法，由于具有沉积速度快、电流效率高、工艺简单、生产成本低、基本无污染等特点，已成功地应用于交通运输、矿山设备和机械制造等行业的机械磨损件或加工超差件的修复，并取得了良好的经济效益和社会效益，但是电镀纯铁存在着镀层易剥落、不耐高温、易腐蚀等缺点。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种在低温下利用电镀法制备具有高强度和高耐腐蚀性能石墨烯增强铁基复合材料的方法，该方法具有工艺简单、适用性广、可大规模生产等优点，可作为一种制备高力学性能和高耐腐蚀性能的石墨烯增强铁基复合材料的理想方法。

本发明采用的技术方案具体如下：

一种制备石墨烯增强铁基复合材料的方法，包括如下步骤：室温下，将氧化石墨烯粉体超声分散在镀铁电解液中，形成氧化石墨烯悬浮液；然后将氧化石墨烯悬浮液在25-80℃、搅拌条件下进行直流电镀，使得亚铁离子与氧化石墨烯在阴极上发生共沉积，得到石墨烯增强铁基复合材料。

氧化石墨烯(GO)粉体可利用化学剥离法(又称氧化还原法)或电化学剥离法制备。