專利名稱：一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)產(chǎn)品沿著機(jī)電一體化、超精密化、微型化和集成化的趨勢發(fā)展，由此而產(chǎn)生了微/納機(jī)電系統(tǒng)(MEMS/NEMQ這一新的技術(shù)領(lǐng)域，并且成為材料學(xué)科的研究熱點(diǎn)。然而隨著元件尺寸的顯著減小，表面積和體積之比明顯增大，表面效應(yīng)大大增強(qiáng)，摩擦磨損、表面黏附等問題更加突出，嚴(yán)重影響了 MEMS/NEMS的可靠性和穩(wěn)定性， 成為制約MEMS/NEMS進(jìn)一步應(yīng)用的瓶頸。因此，對材料表面進(jìn)行功能化處理以解決其摩擦學(xué)方面的問題，顯得尤為重要。大量研究表明通過在材料表面制備疏水膜層可以改善其摩擦學(xué)性能，而通過在材料表面制備疏水復(fù)合膜的處理方法來提高摩擦學(xué)性能更是研究熱點(diǎn)。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?3145520. 4，公開了一種利用自組裝技術(shù)制備二氧化鈦-聚四苯乙烯磺酸鈉-聚乙烯亞胺復(fù)合潤滑膜的方法，它將載玻片或單晶硅底材依次浸入二氧化鈦前驅(qū)體溶膠、聚四苯乙烯磺酸鈉溶液和聚乙烯亞胺溶液中，取出干燥后即得到復(fù)合潤滑膜，通過控制浸入溶膠或者溶液中自組裝的次數(shù)得到不同層數(shù)和厚度的復(fù)合膜。所制備復(fù)合膜具有一定的減摩抗磨功能，但由于該方法只采用單一的自組裝分子膜技術(shù)，該技術(shù)制備的薄膜層與層之間的結(jié)合是依靠膜層基團(tuán)之間的靜電反應(yīng)，不能改善單層自組裝分子膜所存在的致密度不高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，因而實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。中國發(fā)明專利申請?zhí)枮?00510027735. 4，公開了一種玻璃基片表面硅烷-稀土自潤滑復(fù)合薄膜的制備方法，它首先采用自組裝方法在羥基化處理的基片表面制備硅烷薄膜，然后將表面組裝有硅烷薄膜的玻璃基片浸入配置好的溶膠溶液中，靜置后采用提拉法制備含有稀土元素的復(fù)合薄膜。該技術(shù)制備的復(fù)合膜具有一定的減摩作用，但由于提拉法得到的復(fù)合膜是依靠物理吸附結(jié)合，薄膜層與層之間的結(jié)合強(qiáng)度低，且對先前自組裝技術(shù)形成的硅烷薄膜存在的致密度不高、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)改善不明顯，導(dǎo)致薄膜的抗磨性能不理想，以至其使用壽命受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，其特征在于該方法依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在金屬材料表面制備具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜，其步驟及工藝條件如下步驟一金屬材料表面自組裝分子膜的制備(1)配制自組裝溶液
自組裝溶劑是按乙醇和蒸餾水體積比9 8 1 2配制而成；自組裝溶質(zhì)是同時(shí)含有-SH和-Si(OIi)3的硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其濃度為 0.5 10mmol/L ； 自組裝溶液在常溫下水解3 10天；(2)自組裝①采用等離子體或堿溶液進(jìn)行羥基化處理；②將經(jīng)羥基化處理后的材料放入自組裝溶液體系，在常溫下進(jìn)行自組裝，自組裝時(shí)間為30min 24h ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在80 150°C下干燥15min 5h，即在材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配制而成，含有有機(jī)溶質(zhì)0. 1 lOmmol/L、支持電解質(zhì)0. 1 6mol/L ；所述有機(jī)溶質(zhì)為含有-SH的硫醇有機(jī)化合物鹽，支持電解質(zhì)是指NaOH或Na2CO3 ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的材料，直接以三電極方式放入上述電解質(zhì)溶液中進(jìn)行有機(jī)鍍膜，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜；所述有機(jī)鍍膜采用恒電流法或采用循環(huán)伏安法；所述恒電流法有機(jī)鍍膜工藝條件電流密度為0. 5 lOmA/cm2，鍍膜時(shí)間為5 90min，鍍膜溫度為常溫；所述循環(huán)伏安法有機(jī)鍍膜工藝條件起始電位為開路電位，終止電位為1. 0 8. 0V，循環(huán)掃描速率為5 50mV/s，循環(huán)次數(shù)為1 10次，鍍膜溫度為常溫。所述自組裝溶質(zhì)與有機(jī)鍍膜電解質(zhì)具有匹配關(guān)系；所述自組裝溶質(zhì)硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽為含有三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，所述有機(jī)鍍膜電解質(zhì)硫醇有機(jī)化合物鹽為三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽。所述三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽是指分子式為C3Nf2HNa-NH(CH2) 3_Si (OC2H5) 3，三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽是指分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3o所述金屬材料為、鈦合金、鋁合金、NdFeB永磁材料、鎂合金或低碳鋼。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合工藝，由于本發(fā)明利用含硫醇基-SH和硅烷基-Si (OR) 3的三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽在材料表面制備末端基團(tuán)為-SH的自組裝分子膜，再通過有機(jī)鍍膜技術(shù)，使有機(jī)鍍液中的三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽中的-SH與自組裝分子膜中存在的-SH發(fā)生電化學(xué)聚合反應(yīng)，因此，疏水膜生長致密有序，且與自組裝分子膜結(jié)合緊密，穩(wěn)定性好，在金屬材料表面制備的納米復(fù)合膜減摩抗磨性能優(yōu)異。2、本發(fā)明通過自組裝分子膜技術(shù)降低金屬材料表面自由能，采用有機(jī)鍍膜方法在低自由能表面實(shí)現(xiàn)疏水化復(fù)合處理，制備出具有減摩抗磨性能的疏水納米復(fù)合膜；與采用單一自組裝分子膜技術(shù)相比，其對蒸餾水的接觸角更大，表面自由能更低，減摩抗磨性能更優(yōu)異。3、本發(fā)明首先采用自組裝技術(shù)在材料表面制備自組裝分子膜，然后進(jìn)行有機(jī)鍍膜疏水化復(fù)合處理，與采用單一的有機(jī)鍍膜技術(shù)相比，所適用的金屬材料范圍更加廣泛，只要探尋到合適的羥基化處理工藝，就可以在各種金屬上實(shí)現(xiàn)納米復(fù)合膜的制備。4、本發(fā)明的制備方法工藝相對簡單、操作簡便、制備周期短、成本低、易于工業(yè)化生產(chǎn)。在采用恒電流法鍍膜時(shí)，通過選擇合適的電流密度、膜層會隨著鍍膜時(shí)間的延長而不斷增厚；在采用循環(huán)伏安法鍍膜時(shí)，選擇合適的掃描速率和終止電位，膜層會隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增厚；因此根據(jù)不同的實(shí)際需求調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)膜層厚度在8 40nm范圍內(nèi)可控。5、本發(fā)明涉及的自組裝溶液和有機(jī)鍍液均不含有對環(huán)境和人類身體健康有毒有害成分，屬于環(huán)保型配方。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例一 Ti-6A1_4V鈦合金三種不同狀態(tài)下的表面X射線光電子能譜(XPS)；圖2為本發(fā)明實(shí)施例一 Ti-6A1_4V鈦合金表面納米復(fù)合膜中Si元素的XPS分峰擬合圖譜；圖3為本發(fā)明實(shí)施例一 Ti-6A1_4V鈦合金表面納米復(fù)合膜中S元素的XPS分峰擬合圖譜；圖4為本發(fā)明實(shí)施例一 Ti-6A1_4V鈦合金不同狀態(tài)下的表面摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線圖。
具體實(shí)施例方式通過如下實(shí)施例及其附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不僅限于此。實(shí)施例一金屬材料為Ti-6A1_4V鈦合金板材，尺寸為50 X 30 X 1. 5 (mm)，依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在Ti-6A1-4V鈦合金材料表面制備具有減摩抗磨的納米復(fù)合膜，具體包括以下步驟及工藝條件步驟一 Ti-6Al_4V鈦合金材料表面自組裝分子膜的制備(1) Ti-6A1-4V鈦合金材料表面預(yù)處理用120#、360#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙對11-641-4￥鈦合金材料進(jìn)行打磨，
放于丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，以除去油污，取出吹干；(2)配制自組裝溶液自組裝溶液的溶劑按乙醇和蒸餾水體積比9 1配制而成，溶質(zhì)為三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鈉鹽，其分子式為C3N3S2HNa-NH(OE)3-Si(OC2H5)3，濃度為3mmol/L ；配制后的自組裝溶液在常溫下水解3天；(3)自組裝
①將經(jīng)預(yù)處理的Ti-6A1_4V鈦合金材料進(jìn)行等離子體羥基化處理②將經(jīng)羥基化處理后的Ti-6A1_4V鈦合金材料用蒸餾水、乙醇沖洗，吹干后放入自組裝溶液體系中于室溫下進(jìn)行自組裝24h ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在150°C下干燥2. 5h ；即在Ti-6A1_4V鈦合金材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配制而成，選取含硫醇基-SH的三嗪硫醇有機(jī)化合物鈉鹽為有機(jī)溶質(zhì)，其分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3，濃度為 5mmol/L ；選取NaOH為支持電解質(zhì)，濃度為0. 15mol/L ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的Ti-6A1_4V鈦合金材料，直接以三電極方式放入上述配制好的電解質(zhì)溶液中，在常溫下進(jìn)行循環(huán)伏安法有機(jī)鍍膜，起始電位為開路電位，終止電位為8V，循環(huán)掃描速率為20mV/s，循環(huán)次數(shù)為3次；鍍膜結(jié)束取出材料后，用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次清洗，吹干后放入干燥箱中，在80°C干燥30min，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。Ti-6A1-4V鈦合金表面制備納米復(fù)合膜前后減摩抗磨性能對比未經(jīng)處理Ti-6A1_4V鈦合金材料表面呈親水狀態(tài)，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為45. 6士0. 1° ；經(jīng)自組裝處理后，Ti-6A1-4V鈦合金材料表面所獲得的自組裝分子膜厚度為3. 9nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為84. 5士0.1°，表現(xiàn)為疏水性能。經(jīng)有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后，Ti-6A1-4V鈦合金材料表面所獲得的復(fù)合膜厚度為22. 2nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為132.5 士 0. 1°，表現(xiàn)為更優(yōu)異的疏水性能。圖1為本實(shí)施例Ti-6A1-4V鈦合金材料三種不同狀態(tài)下的表面的X射線光電子能譜(XPQ，其中，A為未經(jīng)處理的Ti-6A1-4V 鈦合金材料表面的圖譜；B為經(jīng)自組裝分子膜技術(shù)處理后的Ti-6A1-4V鈦合金材料表面生成有自組裝分子膜層的圖譜；C為生成自組裝分子膜后再經(jīng)有機(jī)鍍膜處理的Ti-6A1-4V 鈦合金材料表面生成有復(fù)合膜的圖譜。表明經(jīng)過本發(fā)明自組裝分子膜技術(shù)處理后的 Ti-6A1-4V鈦合金材料表面成功獲得了自組裝分子膜，而在經(jīng)過自組裝分子膜技術(shù)處理的基礎(chǔ)上再進(jìn)行有機(jī)鍍膜技術(shù)復(fù)合處理的Ti-6A1-4V鈦合金材料表面成功獲得了同時(shí)含有 C3N3S2HNa-NH(CH2) 3_Si (0C2H5) 3 分子和 C3N3S2HNa_N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3 分子的復(fù)合膜。另外，本實(shí)施例Ti-6A1_4V鈦合金材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的Si和S元素進(jìn)行分峰擬合處理，結(jié)果如圖2和3所示。圖2、3表明復(fù)合膜中存在Si-O-Ti鍵和C-S-S鍵， 進(jìn)一步證明了本發(fā)明復(fù)合膜是通過自組裝分子膜技術(shù)先在鈦合金表面制備一層自組裝分子膜，而后通過有機(jī)鍍膜技術(shù)使有機(jī)鍍液中的三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽中的-SH與自組裝分子膜中存在的-SH發(fā)生電化學(xué)聚合反應(yīng)，從而獲得減摩抗磨納米復(fù)合膜。對本實(shí)施例Ti-6A1_4V鈦合金材料不同狀態(tài)下表面分別進(jìn)行摩擦實(shí)驗(yàn)，摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間的變化曲線圖如圖4所示，未經(jīng)處理的Ti-6A1-4V鈦合金材料(即- -基體) 在50mN下摩擦系數(shù)為0. 50 ；經(jīng)過自組裝處理的Ti_6Al_4V鈦合金材料表面(即-▲-自組裝分子膜)最初的摩擦系數(shù)為0. 23，經(jīng)30s摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 50左右，表明自組裝分子膜具有一定減摩效果，但抗磨效果不佳。經(jīng)過有機(jī)鍍液復(fù)合工藝處理的Ti-6A1-4V 鈦合金材料表面復(fù)合膜(即-■-復(fù)合膜)經(jīng)230s摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 50左右，且在復(fù)合膜失效前平均摩擦系數(shù)維持在0. 17，表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)和耐磨壽命均大于步驟一生成的自組裝分子膜。實(shí)施例二金屬材料為7075鋁合金板材，尺寸為50 X 30 X 1.5 (mm)，依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在7075鋁合金材料表面制備具有減摩抗磨的納米復(fù)合膜，具體包括以下步驟及工藝條件步驟一 7075鋁合金材料表面自組裝分子膜的制備(1) 7075鋁合金材料表面預(yù)處理用120#、360#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙對7075鋁合金工件進(jìn)行打磨，放于丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，以除去油污，取出吹干；(2)配制自組裝溶液自組裝溶液的溶劑按乙醇和蒸餾水體積比8 2配制而成，溶質(zhì)為3-巰丙基三甲氧基硅烷，其分子式為HS(CH2)3Si(0CH3)3，濃度為0. 5mmol/L ；配制后的自組裝溶液在常溫下水解6天；(3)自組裝①將經(jīng)預(yù)處理的7075鋁合金材料進(jìn)行等離子體羥基化處理；②將經(jīng)羥基化處理后的7075鋁合金材料用蒸餾水、乙醇沖洗，吹干后放入自組裝溶液體系中，在常溫下進(jìn)行自組裝Mh ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在150°C下干燥證，即在7075鋁合金材料片表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配制而成，選取2-巰基6-乙基辛烷為有機(jī)溶質(zhì)， 其分子式為CH3SHCHCH2CH2CH2CH(CH2CH3) 2，濃度為10mmol/L ；選取NaOH為支持電解質(zhì)，濃度為 6mol/L ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的7075鋁合金材料，直接以三電極方式放入上述配制的電解質(zhì)溶液中，在常溫下進(jìn)行恒電流法有機(jī)鍍膜，電流密度為0. 5mA/cm2，鍍膜時(shí)間為90min ；鍍膜結(jié)束取出7075鋁合金材料后，用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次清洗，吹干后放入干燥箱中，在80°C干燥lh，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。7075鋁合金材料表面制備納米復(fù)合膜前后減摩抗磨性能對比經(jīng)自組裝處理后， 7075鋁合金材料表面所獲得的自組裝分子膜厚度為3. 7nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為51.8士0. 1° ；經(jīng)有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后，7075鋁合金材料表面所獲得的復(fù)合膜層厚度為 30. 6nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為110. 5士0. 1°，表現(xiàn)為良好的疏水性能。未經(jīng)處理的本實(shí)施例7075鋁合金材料摩擦系數(shù)為0. 49，經(jīng)過自組裝處理的7075鋁合金材料表面摩擦系數(shù)為0. 24,經(jīng)400s摩擦后膜層失效。經(jīng)過本發(fā)明自組裝和有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后的7075 鋁合金材料表面經(jīng)200s摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 50左右，且在復(fù)合膜失效前平均摩擦系數(shù)維持在0. 12，表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)和耐磨壽命均大于單一的自組裝分子膜。實(shí)施例三金屬材料為NdFeB永磁材料，尺寸為10X10X4 (mm)，依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在NdFeB永磁材料表面制備具有減摩抗磨的納米復(fù)合膜，具體包括以下步驟及工藝條件步驟一 =NdFeB永磁材料表面自組裝分子膜的制備
(1) NdFeB永磁材料表面預(yù)處理用120#、360#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙對NdFeB永磁材料表面進(jìn)行打磨，放
于丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，以除去油污，取出吹干；(2)配制自組裝溶液自組裝溶液的溶劑按乙醇和蒸餾水體積比9 1配制而成，溶質(zhì)為三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其分子式為C3N3S2HNa-NH(CH2)3-Si(0CH3)3，濃度為10mmol/L ；配制后的自組裝溶液在常溫下水解10天；(3)自組裝①將經(jīng)預(yù)處理的NdFeB永磁材料浸入在堿處理水溶液(磷酸鈉15g/L、硅酸鈉4g/ L，碳酸鈉4g/L)中進(jìn)行羥基化處理，其水浴加熱aiiin，控制水浴溫度為65°C ；②將經(jīng)羥基化處理后的NdFeB永磁材料用蒸餾水、乙醇沖洗，吹干后放入自組裝溶液體系中，在室溫下進(jìn)行自組裝30min ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在80°C下干燥15min，即在NdFeB永磁材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配置而成，選取含硫醇基-SH的三嗪硫醇有機(jī)化合物鈉鹽為有機(jī)溶質(zhì)其分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 3CF3，濃度為 5mmol/L ；選取Na2C03為支持電解質(zhì)，濃度為0. 15mol/L ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的NdFeB永磁材料，直接以三電極方式放入上述配制的電解質(zhì)溶液中，常溫下進(jìn)行循環(huán)伏安法有機(jī)鍍膜，起始電位為開路電位，終止電位為 1. 0V，循環(huán)掃描速率為5mV/s，循環(huán)次數(shù)為10次；鍍膜結(jié)束取出NdFeB永磁材料后，用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次清洗，吹干后放入干燥箱中，在80°C干燥30min，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。NdFeB永磁材料表面制備納米復(fù)合膜前后減摩抗磨性能對比經(jīng)自組裝處理后， NdFeB永磁材料表面所獲得的自組裝分子膜厚度為3. 3nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為63. 3士0.1° ；再經(jīng)有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后，NdFeB永磁材料表面所獲得的復(fù)合膜厚度為 20. 8nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為128. 5士0. 1°，表現(xiàn)為良好的疏水性能。未經(jīng)處理的本實(shí)施例NdFeB永磁材料表面摩擦系數(shù)為0. 25，經(jīng)過自組裝處理的NdFeB永磁材料表面摩擦系數(shù)為0. 17，經(jīng)60s摩擦后膜層失效。經(jīng)過本發(fā)明自組裝和有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后的NdFeB 永磁材料表面經(jīng)400s摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 25左右，且在復(fù)合膜失效前平均摩擦系數(shù)維持在0. 11，表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)和耐磨壽命均大于單一的自組裝分子膜。實(shí)施例四金屬材料為AZ91D鎂合金材料，尺寸為50 X 30 X 1. 5 (mm)，依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在AZ91D鎂合金材料表面制備具有減摩抗磨的納米復(fù)合膜，具體包括以下步驟及工藝條件步驟一 AZ91D鎂合金材料表面自組裝分子膜的制備(1)AZ91D鎂合金材料表面預(yù)處理用120#、360#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙對^^910鎂合金材料表面進(jìn)行打磨，
放于丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，以除去油污，取出吹干；(2)配制自組裝溶液自組裝溶液的溶劑按乙醇和蒸餾水體積比8 2配制而成，溶質(zhì)為三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其分子式為C3N3S2HNa-NH(CH2)3-Si (0CH3)3，濃度為5mmol/L ；配制后的自組裝溶液在常溫下水解5天；(3)自組裝①將經(jīng)預(yù)處理的AZ91D鎂合金材料浸入在堿處理水溶液(磷酸鈉15g/L、硅酸鈉 4g/L，碳酸鈉4g/L)中進(jìn)行羥基化處理，其水浴加熱:3min，控制水浴溫度為65°C ；②將經(jīng)羥基化處理后的AZ91D鎂合金材料用蒸餾水、乙醇沖洗，吹干后放入自組裝溶液體系中，在室溫下進(jìn)行自組裝Ih ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在80°C下干燥1.5h，即在AZ91D鎂合金材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配置而成，選取含硫醇基-SH的三嗪硫醇有機(jī)化合物鈉鹽為有機(jī)溶質(zhì)其分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3，濃度為 3mmol/L ；選取Na2C03為支持電解質(zhì)，濃度為0. lmol/L ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的AZ91D鎂合金材料，直接以三電極方式放入上述配制的電解質(zhì)溶液中，在常溫下進(jìn)行恒電流法有機(jī)鍍膜，電流密度為10mA/cm2，鍍膜時(shí)間為 5min ；鍍膜結(jié)束取出AZ91D鎂合金材料后，用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次清洗，吹干后放入干燥箱中，在80°C干燥30min，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。AZ91D鎂合金材料表面制備納米復(fù)合膜前后減摩抗磨性能對比經(jīng)自組裝處理后，AZ91D鎂合金材料表面所獲得的自組裝分子膜厚度為3. 3nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為73. 5士0. 1° ；經(jīng)有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后，AZ91D鎂合金材料表面所獲得的復(fù)合膜厚度為 38.5η m，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為135. 5士0. 1°，表現(xiàn)為良好的疏水性能。未經(jīng)處理的本實(shí)施例AZ91D鎂合金材料表面摩擦系數(shù)為0. 38，經(jīng)過自組裝處理的AZ91D鎂合金材料表面摩擦系數(shù)為0. 22，經(jīng)80s摩擦后膜層失效。經(jīng)過本發(fā)明自組裝和有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后的AZ91D鎂合金材料表面經(jīng)31 摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 38左右，且在復(fù)合膜失效前平均摩擦系數(shù)維持在0. 15，表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)和耐磨壽命均大于單一的自組裝分子膜。實(shí)施例五金屬材料為Q 195低碳鋼，尺寸為50 X 30 X 0.5 (mm)，依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在Q195低碳鋼材料表面制備具有減摩抗磨的納米復(fù)合膜，具體包括以下步驟及工藝條件步驟一 Q195低碳鋼材料表面自組裝分子膜的制備(1)Q195低碳鋼材料表面預(yù)處理用120#、360#、800#、1200#、1500#、2000#砂紙對0195低碳鋼材料表面進(jìn)行打磨，
放于丙酮溶液中超聲波清洗lOmin，以除去油污，取出吹干；(2)配制自組裝溶液自組裝溶液的溶劑按乙醇和蒸餾水體積比9 1配制而成，溶質(zhì)為三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其分子式為C3N3S2HNa-NH(OE)3-Si(OC2H5)3，濃度為6mmol/L ；配制后的自組裝溶液在常溫下水解8天；(3)自組裝①將經(jīng)預(yù)處理的Q 195低碳鋼材料浸入在堿處理水溶液(磷酸鈉15g/L、硅酸鈉 4g/L，碳酸鈉4g/L)中進(jìn)行羥基化處理，其水浴加熱:3min，控制水浴溫度為65°C ；②將經(jīng)羥基化處理后的Q195低碳鋼材料用蒸餾水、乙醇沖洗，吹干后放入自組裝溶液體系中，在室溫下進(jìn)行自組裝12h ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在80°C下干燥30min，即在Q195低碳鋼材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配置而成，選取含硫醇基-SH的三嗪硫醇有機(jī)化合物鈉鹽為有機(jī)溶質(zhì)其分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3，濃度為
0.lmmol/L ；選取Na2C03為支持電解質(zhì)，濃度為3mol/L ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的Q195低碳鋼材料，直接以三電極方式放入上述配制的電解質(zhì)溶液中，常溫下進(jìn)行循環(huán)伏安法有機(jī)鍍膜，起始電位為開路電位，終止電位為
1.8V，循環(huán)掃描速率為50mV/s，循環(huán)次數(shù)為1次；鍍膜結(jié)束取出Q195低碳鋼材料后，用自來水、蒸餾水、無水乙醇依次清洗，吹干后放入干燥箱中，在80°C干燥30min，即獲得具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。Q195低碳鋼材料表面制備納米復(fù)合膜前后減摩抗磨性能對比經(jīng)自組裝處理后， Q195低碳鋼材料表面所獲得的自組裝分子膜厚度為5. lnm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為85. 5士0.1° ；經(jīng)有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后，Q195低碳鋼材料表面所獲得的復(fù)合膜厚度為 22. 5nm，表面與蒸餾水的靜態(tài)接觸角為125. 5士0. 1°，表現(xiàn)為良好的疏水性能。未經(jīng)處理的本實(shí)施例AZ91D鎂合金材料表面摩擦系數(shù)為0. 18，經(jīng)過自組裝處理的Q195低碳鋼材料表面摩擦系數(shù)為0. 11，經(jīng)90s摩擦后膜層失效。經(jīng)過本發(fā)明自組裝和有機(jī)鍍膜復(fù)合處理后的Q195低碳鋼材料表面經(jīng)450s摩擦后，摩擦系數(shù)開始上升至0. 18左右，且在復(fù)合膜失效前平均摩擦系數(shù)維持在0. 08，表現(xiàn)出良好的減摩抗磨性能，摩擦系數(shù)和耐磨壽命均大于單一的自組裝分子膜。
權(quán)利要求
1.一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，其特征在于該方法依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在金屬材料表面制備具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜，其步驟及工藝條件如下步驟一金屬材料表面自組裝分子膜的制備(1)配制自組裝溶液自組裝溶劑是按乙醇和蒸餾水體積比9 81 2配制而成；自組裝溶質(zhì)是同時(shí)含有-SH和-Si(OIi)3的硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其濃度為0. 5 10mmol/L ；自組裝溶液在常溫下水解3 10天；(2)自組裝①采用等離子體或堿溶液進(jìn)行羥基化處理；②將經(jīng)羥基化處理后的材料放入自組裝溶液體系，在常溫下進(jìn)行自組裝，自組裝時(shí)間為 30min 24h ；③自組裝完畢，經(jīng)清洗后，放入干燥箱中，在80 150°C下干燥15min 5h，即在材料表面生成自組裝分子膜；步驟二 有機(jī)鍍膜復(fù)合處理(1)配制有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液是由蒸餾水配制而成，含有有機(jī)溶質(zhì)0. 1 lOmmol/L、支持電解質(zhì) 0. 1 6mol/L ；所述有機(jī)溶質(zhì)為含有-SH的硫醇有機(jī)化合物鹽，支持電解質(zhì)是指NaOH或Na2CO3 ；(2)有機(jī)鍍膜將表面具有疏水自組裝分子膜的材料，直接以三電極方式放入上述電解質(zhì)溶液中進(jìn)行有機(jī)鍍膜，即獲得納米復(fù)合膜；所述有機(jī)鍍膜采用恒電流法或采用循環(huán)伏安法；所述恒電流法有機(jī)鍍膜工藝條件電流密度為0. 5 lOmA/cm2，鍍膜時(shí)間為5 90min，鍍膜溫度為常溫；所述循環(huán)伏安法有機(jī)鍍膜工藝條件起始電位為開路電位，終止電位為1. 0 8. 0V，循環(huán)掃描速率為5 50mV/s，循環(huán)次數(shù)為1 10次，鍍膜溫度為常溫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，其特征在于所述自組裝溶質(zhì)與有機(jī)鍍膜電解質(zhì)具有匹配關(guān)系；所述自組裝溶質(zhì)硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽為含有三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，所述有機(jī)鍍膜電解質(zhì)硫醇有機(jī)化合物鹽為三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，其特征在于所述三嗪硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽是指分子式為C3Nf2HNa-NH(CH2)3-Si (OC2H5)3，三嗪硫醇有機(jī)化合物鹽是指分子式為C3N3S2HNa-N(CH2CH = CH2) C2H4 (CF2) 7CF3o
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，其特征在于所述金屬材料為鈦合金、鋁合金、NdFeB永磁材料、鎂合金或低碳鋼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬材料表面減摩抗磨納米復(fù)合膜的制備方法，它依次采用自組裝分子膜技術(shù)和有機(jī)鍍膜技術(shù)的復(fù)合工藝，在鈦合金、鋁合金、NdFeB永磁材料、鎂合金或低碳鋼表面制備具有減摩抗磨功能的納米復(fù)合膜。所述自組裝溶液的溶質(zhì)是同時(shí)含有-SH和-Si(OR)3的硫醇硅烷有機(jī)化合物鹽，其濃度為0.5～10mmol/L；所述有機(jī)鍍膜電解質(zhì)溶液含有-SH的硫醇有機(jī)化合物鹽0.1～10mmol/L、支持電解質(zhì)0.1～6mol/L。本發(fā)明制備方法工藝簡單、操作簡便、制備周期短、成本低、復(fù)合膜厚度可控且穩(wěn)定性好。本發(fā)明納米復(fù)合膜減摩抗磨性能優(yōu)異，有望解決微/納機(jī)電系統(tǒng)中材料的摩擦學(xué)問題，易于工業(yè)化。
文檔編號C08L83/04GK102358946SQ20111022482
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月5日
發(fā)明者劉秦, 康志新, 方剛 申請人:華南理工大學(xué)