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电化学沉积法制备Fe+石墨烯复合镀层及其高性能

已有 505 次阅读 2018-8-8 19:36 |系统分类:论文交流

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型蜂巢结构晶格的平面薄膜,并且是只有一个碳原子厚度的二维材料,人们称其为组成零维富勒烯、一维碳纳米管、三维石墨的基本单元,由于其具有独特的物理性能、化学性能以及力学性能,已经被认为是一种理想的金属材料增强相。石墨烯增强金属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,表明了GrGO在复合物方面有很大的应用前景。目前,研究与石墨烯复合的金属材料主要有不锈钢、银、铝、铜等。主要制备方法有:粉末冶金法,溶胶凝胶法,电化学法等。其中对于石墨烯-金属复合材料研究最多的是粉末冶金法。但是Fe与石墨烯的粉末冶金法制备是不可能的,这是由于FeC元素之间有很强的亲和力(affinity),很容易结合形成Fe3CFe23C6等碳化物。

电化学法,又称电镀法,也是制备石墨烯-金属复合材料的一种有效方法。电化学法的基本原理:在电解池中,将氧化石墨烯悬浮液与金属离子均匀混合,阳极板为含有电解液中所消耗的金属离子的材料,反应过程中,阳极失去电子变成金属阳离子,以补充反应过程中所消耗的金属离子;在阴极发生还原反应,氧化石墨烯由分散体系向阴极表面附近传质,在阴极表面吸附且发生电子交换,被还原为石墨烯,在搅拌情况下石墨烯与金属离子发生共沉积,在阴极形成了石墨烯-金属复合材料。该方法主要分为直流电沉积和脉冲电沉积法两种,我们课题组宋贡生等Journal of the Electrochemical Society, 2017,  164(9): D652-D659. 和RSC Advances, 2017, 7, 1735-1742.利用直流电沉积的方法制备了铜-氧化石墨烯复合薄膜,结果表明铜-石墨烯复合薄膜的机械性能随着电解液中氧化石墨烯的浓度的不同而发生着变化;在一定的电流情况下,电解液中氧化石墨烯的浓度为0.5g/L时,铜箔中石墨烯含量最佳并且其机械性能也达到了最大值。

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。另外,为了克服镀层易剥落,不耐高温、易腐蚀等缺点,人们逐渐从镀纯铁发展到了电镀铁合金以及铁的复合物。

武汉大学物理科学与技术学院潘春旭教授课题组近年来致力于金属+石墨烯复合材料的研究与应用。最近硕博连读生杨延鹏和博士生宋贡生等人提出了一种利用直流电沉积法制备铁(Fe石墨烯(Gr)复合镀层。并利用SEMTEMRamanFTIR对其微结构进行了表征,以及对其显微硬度和抗腐蚀性进行了测量。实验结果显示:1)通过在电解液中添加分散性好的氧化石墨烯(GO),实现了GrFe镀层中的均匀分布;2)与普通纯Fe镀层相比,发现Gr的加入大大提高了复合镀层的硬度和抗腐蚀性能;3)电解液中GO的添加量有一个最佳值(0.4g/L),其对应的复合镀层硬度达到了HV248,比纯Fe镀层提高了2.07倍;腐蚀速率是纯Fe镀层的3.75倍;电荷转移电阻是纯Fe镀层的5.38倍。预计该Fe+ Gr复合镀层将在机械修复、化工、海洋工程、军工等领域有广泛的应用前景。最近,论文已经发表在国际著名材料学刊物《Journal of Alloys and Compounds》(工程技术2top,影响因子3.779)上。

论文链接:Yanpeng Yang,Gongsheng Song, Qiang Fu, Chunxu Pan: “Preparation of Fe - Gr composite layervia DC electro-plating for high performances”, Journal of Alloys and Compounds, 2018, 768: 859 – 865.  

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925838818327889?via%3Dihub



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