專利名稱：金屬表面富勒烯薄膜的電泳制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種在金屬表面電泳制備富勒 烯薄膜的方法。
背景技術(shù)：
人類對(duì)碳元素的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)由來(lái)已久，隨著富勒烯碳簇的發(fā)現(xiàn)，C60和碳納米管等 作為碳的新的同素異形體進(jìn)入人們的研究視野中。1985年，英國(guó)科學(xué)家Kroto和美國(guó)科學(xué) 家Curl、Smalley共同發(fā)現(xiàn)了類似足球結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體，并將其命名為富勒烯，由于 富勒烯的籠狀結(jié)構(gòu)以及所具有的優(yōu)異性能，對(duì)富勒烯的研究已經(jīng)成為了一個(gè)新的科研分支 領(lǐng)域。在富勒烯碳簇中，C6tl具有高度的對(duì)稱性，其籠內(nèi)外都圍繞著ρ電子云，是有著60 個(gè)原子的籠形分子，每個(gè)碳原子與周圍三個(gè)原子以SP2 28雜化軌道重疊形成s鍵，鍵角約 108°或120°。C6tl分子中每個(gè)碳原子都是等價(jià)的，各原子的靜電荷都是零，整個(gè)分子呈現(xiàn) 電中性。C6tl被修飾以后，由于加成基團(tuán)破壞了 C6tl原有的對(duì)稱性，因此修飾后的C6tl極性較 為明顯。整個(gè)C6tl分子呈現(xiàn)缺電子烯烴的性質(zhì)。目前實(shí)驗(yàn)制備中所使用的材料主要是C6tl與 C70的混合物，其中，C60占有較大份額。目前對(duì)C6tl的研究及利用主要集中在超導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域、光電轉(zhuǎn)換特性、C6tl的修飾及特 性方面、分子器件的研制、氫氣及氧氣的儲(chǔ)存、新型催化劑、光限制性、以及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。關(guān)于富勒烯在鋼鐵中應(yīng)用的專利文獻(xiàn)很少，現(xiàn)有專利文獻(xiàn)的研究對(duì)象多是碳納米 管和碳粉等。發(fā)明人經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)02115095. 8公開(kāi)了一種直接在經(jīng)過(guò)清洗的 不銹鋼表面上通入乙炔氣體來(lái)制備碳納米管薄膜的方法，由于碳納米管的穩(wěn)定性高，其熔 點(diǎn)是目前已知材料中最高的，因此可在高溫下進(jìn)行制備，但對(duì)于富勒烯則不適用。美國(guó)專 利文獻(xiàn)6783745公開(kāi)的方法中通過(guò)對(duì)碳粉(含C6tl或單壁碳納米管)采用高溫高壓工藝制 備出與鋼鐵材料硬度相似的新型碳材料，并可通過(guò)粉末冶金技術(shù)形成圓柱、桿、管等任意形 狀，新材料易于摻雜和轉(zhuǎn)化為金剛石。中國(guó)專利文獻(xiàn)200420052200. 3公開(kāi)了一種靜電噴涂 方法，將納米粉末噴涂在鐵藝組件上，使其耐蝕性能提高5倍。中國(guó)專利文獻(xiàn)01812239. 6、 01812313. 9公開(kāi)了一種超薄保護(hù)涂層的制備方法，通過(guò)粒子流發(fā)生器在磁盤表面形成單層 富勒烯涂層，用作磁盤用的磁性器件。富勒烯在半導(dǎo)體器件上也得到了初步應(yīng)用，如中國(guó)專 利文獻(xiàn)01822518. 7公開(kāi)了一種在半導(dǎo)體外工藝設(shè)備部件表面沉積富勒烯形成耐腐蝕層的 方法，所沉積的富勒烯厚度是0.001 0.050英寸。此外，含富勒烯涂層還可以作為發(fā)光器 件，參見(jiàn)中國(guó)專利文獻(xiàn)200480011554. 6。綜上所述，到目前為止，富勒烯在金屬表面的覆膜技術(shù)尚未見(jiàn)到報(bào)道。因此，本發(fā) 明的目的在于提供一種采用電泳方法將富勒烯材料制備在金屬表面的鍍制技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)金屬材料表面前處理，包括對(duì)金屬材料進(jìn)行除油清洗、酸洗和活化；(2)電泳液的制備將富勒烯在有機(jī)溶液中分散、超聲振蕩、過(guò)濾、還原、調(diào)節(jié)PH值 為8 12 ；(3)富勒烯電泳法成膜；(4)加熱。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(1)中，所 述除油清洗為用乙醇或丙酮進(jìn)行超聲清洗。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(1)中，所 述超聲清洗時(shí)間為5 60分鐘。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(1)中，所 述酸洗的酸洗液為3 8mol/L的硫酸溶液。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(2)中，所 述有機(jī)溶液為四氫呋喃。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(2)中，所 述還原以Zn粉為還原劑，使溶液濃度達(dá)到飽和。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(2)中，所 述調(diào)節(jié)PH值為添加NaOH調(diào)整溶液PH值為8 12。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(3)中，所 述電泳的電壓為5 50V，電流為0. 1 0. 5A，時(shí)間為1分鐘 1小時(shí)。根據(jù)本發(fā)明的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，優(yōu)選的是，在所述步驟(4)中，所 述加熱溫度為80 280°C，時(shí)間為15分鐘。實(shí)現(xiàn)在金屬表面制備富勒烯涂層，大致分為以下幾個(gè)步驟金屬表面前處理、制備 電泳液、金屬表面成膜及表面后處理。具體說(shuō)明如下1、金屬表面前處理前處理工藝主要是金屬表面的除油、酸洗和活化處理，可將金屬浸泡在丙酮溶劑 中進(jìn)行超聲清洗以除去金屬表面的油污；酸洗和活化采用稀硫酸對(duì)金屬基板進(jìn)行處理，以 利于電泳法制備富勒烯薄膜時(shí)提高膜層與基體的結(jié)合力。2、制備電泳液首先制備富勒烯的有機(jī)溶液分散液，超聲振蕩，將分散好的富勒烯/有機(jī)溶液用 尼龍過(guò)濾后得到深棕色的C6tl分散液，并采用Zn粉作為富勒烯的還原劑，最后用氫氧化鈉調(diào) 節(jié)電泳液PH值為8 12之間。3、金屬表面富勒烯成膜采用電泳法沉積方法，將富勒烯制備在金屬基體表面上。借助帶電膠體粒子在直 流電場(chǎng)中移動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)行物質(zhì)的分離和涂鍍，其中，電泳分離和鍍制技術(shù)基于粒子移動(dòng)速 度的不同，不涉及電極反應(yīng)。雖然電沉積和電鍍等過(guò)程也有電泳現(xiàn)象，但其主要作用是電極 反應(yīng)，所以不是本發(fā)明所采用的電泳技術(shù)。電泳在5 50V電壓下進(jìn)行，控制電流在0. 1 0. 5A，電泳時(shí)間為1分鐘 1小時(shí)。最終得到覆蓋有富勒烯的薄膜，且富勒烯薄膜厚度均勻。 根據(jù)電泳參數(shù)還可以調(diào)節(jié)富勒烯薄膜的厚度。4、表面后處理
適當(dāng)加熱(加熱溫度在80 280°C之間)，利用富勒烯活性強(qiáng)，易于在金屬內(nèi)部擴(kuò) 散的現(xiàn)象，增強(qiáng)界面結(jié)合力。本發(fā)明的有益效果為本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了富勒烯在金屬表面的鍍制，并且厚度可控，鍍層均勻，驗(yàn)證了電 泳方法在制備富勒烯薄膜工藝中是可行的。采用電泳工藝主要是因?yàn)楦焕障┰诜稚⒁褐袔?負(fù)電，因而不能像電鍍技術(shù)(陰極析出金屬陽(yáng)離子)那樣在電極陰極析出，而電泳技術(shù)正好 利用了帶負(fù)電富勒烯離子在電場(chǎng)中的流動(dòng)現(xiàn)象，從而成功的在陽(yáng)極沉積上了富勒烯分子團(tuán)簇。


圖1為富勒烯電泳膜示意圖；圖2為實(shí)施例2中電泳方法在低碳鋼表面制備的富勒烯薄膜；圖3為實(shí)施例2中所制備富勒烯電泳膜的紅外表征圖；圖4為實(shí)施例2中富勒烯_低碳鋼復(fù)合膜的摩擦系數(shù)曲線；圖5為實(shí)施例3中電泳方法在IF鋼表面制備的富勒烯薄膜；圖6為實(shí)施例3中所制備富勒烯電泳膜的Raman表征圖。
具體實(shí)施例方式以下用實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更詳細(xì)的描述。這些實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明最 佳實(shí)施方式的描述，并不對(duì)本發(fā)明的范圍有任何限制。實(shí)施例1在銅表面制備富勒烯涂層，步驟如下(1)對(duì)銅表面進(jìn)行清洗將銅板表面浸泡在丙酮溶劑中進(jìn)行超聲清洗15分鐘以除去表面油污，并采用 6mol/L的硫酸溶液浸泡對(duì)銅基板進(jìn)行處理Imin ；(2)制備電泳液將Ig富勒烯加入300ml四氫呋喃(THF)溶液中，攪拌并添加1. 6g Zn粉，通氬氣除 去四氫呋喃中的氧后超聲振蕩15分鐘，添加含0. 8g NaOH成分的水溶液(120ml蒸餾水)， 并超聲振蕩到20分鐘以避免富勒烯的再聚沉，過(guò)濾去除混合溶液中的雜質(zhì)，通氬氣去除溶 液中的四氫呋喃，最后獲得配制好的電泳液；(3)電泳法制備富勒烯涂層電泳參數(shù)為電泳電壓30V，電流0. 15A，電泳時(shí)間2分鐘。電泳法在銅表面沉積富勒烯的效果較好，色澤光潔明亮，粘附性能優(yōu)良。實(shí)施例2在低碳鋼表面制備富勒烯涂層，步驟如下(1)對(duì)低碳鋼表面進(jìn)行表面前處理將低碳鋼表面浸泡在丙酮溶劑中進(jìn)行超聲清洗30分鐘以除去表面油污，并采用 5mol/L的硫酸溶液浸泡對(duì)銅基板進(jìn)行處理2min ；(2)制備電泳液
將0. 9g富勒烯加入300ml四氫呋喃(THF)溶液中，攪拌并添加2. 5g Zn粉，通氬 氣除去四氫呋喃中的氧后超聲振蕩15分鐘，添加含0. 6g NaOH成分的水溶液(120ml蒸餾 水)，并超聲振蕩到15分鐘以避免富勒烯的再聚沉，過(guò)濾去除混合溶液中的雜質(zhì)，通氬氣去 除溶液中的四氫呋喃，最后獲得配制好的電泳液；(3)電泳法制備富勒烯涂層電泳參數(shù)為電泳電壓25V，電流0. 13A，電泳時(shí)間1分30秒。最后所制備的富勒烯涂層如圖2所示；其紅外表征圖如圖3所示，紅外特征峰說(shuō)明 了電泳法沉積在低碳鋼表面的分子材料為富勒烯；其富勒烯-低碳鋼復(fù)合膜的摩擦系數(shù)曲 線如圖4所示(壓力400g，轉(zhuǎn)數(shù)300r/min)，從圖4中可以看出，本發(fā)明的實(shí)施減低了低碳 鋼基體的摩擦系數(shù)，增強(qiáng)了低碳鋼基體的耐磨性。實(shí)施例3在IF鋼表面制備富勒烯涂層，步驟如下(1)對(duì)IF鋼表面進(jìn)行清洗將IF鋼板表面浸泡在丙酮溶劑中進(jìn)行超聲清洗20分鐘以除去表面油污，并采用 5mol/L的硫酸溶液浸泡對(duì)銅基板進(jìn)行處理1. 5min ；(2)制備電泳液將1. 5g富勒烯加入300ml四氫呋喃(THF)溶液中，攪拌并添加3g Zn粉，通氬氣 除去四氫呋喃中的氧后超聲振蕩15分鐘，添加含Ig NaOH成分的水溶液(120ml蒸餾水)， 并超聲振蕩到25分鐘以避免富勒烯的再聚沉，過(guò)濾去除混合溶液中的雜質(zhì)，通氬氣去除溶 液中的四氫呋喃，最后獲得配制好的電泳液；(3)電泳法制備富勒烯涂層電泳參數(shù)為電泳電壓20V，電流0. 1A，電泳時(shí)間3分鐘。最后所制備的富勒烯涂層如圖5所示，其Raman表征圖如圖6所示，Raman特征峰 說(shuō)明了電泳法沉積在IF鋼表面的分子材料為富勒烯?？梢杂^察到薄膜厚度隨著電泳時(shí)間的增加而增加，這亦是控制薄膜厚度的方法之 一，從而可以實(shí)現(xiàn)富勒烯薄膜的可控生長(zhǎng)。實(shí)施例和附圖清楚說(shuō)明了本發(fā)明成功實(shí)現(xiàn)了富 勒烯在金屬表面的鍍制，并且厚度可控，鍍層均勻，驗(yàn)證了電泳方法在制備富勒烯薄膜工藝 中是可行的。
權(quán)利要求
1.一種金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟(1)金屬材料表面前處理，包括對(duì)金屬材料進(jìn)行除油清洗、酸洗和活化；(2)電泳液的制備將富勒烯在有機(jī)溶液中分散、超聲振蕩、過(guò)濾、還原、調(diào)節(jié)PH值為 8 12 ；(3)富勒烯電泳法成膜；(4)加熱。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(1) 中，所述除油清洗為用乙醇或丙酮進(jìn)行超聲清洗。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(1) 中，所述超聲清洗時(shí)間為5 60分鐘。
4.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(1) 中，所述酸洗的酸洗液為3 8mol/L的硫酸溶液。
5.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2) 中，所述有機(jī)溶液為四氫呋喃。
6.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2) 中，所述還原以Zn粉為還原劑，使溶液濃度達(dá)到飽和。
7.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2) 中，所述調(diào)節(jié)PH值為添加NaOH調(diào)整溶液PH值為8 12。
8.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(3) 中，所述電泳的電壓為5 50V，電流為0. 1 0. 5A，時(shí)間為1分鐘 1小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述的金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，其特征在于，在所述步驟(4) 中，所述加熱溫度為80 280°C，時(shí)間為15分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種金屬表面富勒烯薄膜的制備方法，包括以下步驟(1)金屬材料表面前處理，包括對(duì)金屬材料進(jìn)行除油清洗、酸洗和活化；(2)電泳液的制備將富勒烯在有機(jī)溶液中分散、超聲振蕩、過(guò)濾、還原、調(diào)節(jié)PH值為8～12；(3)富勒烯電泳法成膜；(4)加熱。本發(fā)明方法可用于金屬表面改性處理，尤其利用富勒烯材料的優(yōu)異特性可衍生出新型表面鍍膜金屬材料，從而制備出全新的金屬產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C25D13/02GK102002747SQ200910194900
公開(kāi)日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月1日
發(fā)明者史弼, 宋洪偉, 張俊寶, 張宇軍, 梁永立 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司