王云強(qiáng)１,雷衛(wèi)寧１,２,沈 宇１,錢海峰１,２,李奇林１,李小平１,２ (江蘇理工學(xué)院１．機(jī)械工程學(xué)院;２．江蘇省高性能材料綠色成形與裝備重點(diǎn)實驗室,常州 ２１３００１) 摘 要:分別在超臨界條件和普通條件下制備了鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層,研究了兩種制備條件 和氧化石墨烯(GO)質(zhì)量濃度對復(fù)合電鑄層顯微組織、表面形貌、硬度和耐磨性能的影響.結(jié)果表 明:與普通條件下的相比,超臨界條件下復(fù)合電鑄層的顯微組織致密,表面粗糙度低,鎳(１１１)和 (２２０)晶面擇優(yōu)度降低而(２２０)晶面擇優(yōu)度增大,硬度和耐磨性提高;在超臨界條件下,隨著 GO 質(zhì) 量濃度的增加,復(fù)合電鑄層的顯微硬度、耐磨性及石墨烯納米薄片嵌入量均呈現(xiàn)出先升后降的變化 趨勢,當(dāng) GO 質(zhì) 量 濃 度 為 ０．２０g??L－１ 時,復(fù) 合 電 鑄 層 中 的 石 墨 烯 含 量 最 多,顯 微 硬 度 最 大,為 ７６８HV,耐磨性最好. 關(guān)鍵詞:超臨界二氧化碳流體;石墨烯;復(fù)合電鑄層;微觀結(jié)構(gòu);硬度;耐磨性 中圖分類號:TQ１５３．４;O６１３．７１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００１２Ｇ０６

EffectofGrapheneOxideMassConcentrationonPropertiesofNickelＧbased GrapheneCompositeElectroformingLayerunderSupercriticalCondition WANGYunqiang １,LEIWeining １,２,SHENYu１,QIANHaifeng １,２,LIQilin１,LIXiaoping １,２ (１．SchoolofMechanicalEngineering;２．JiangsuProvinceKeyLaboratoryofHighPerformanceMaterialGreenForming andEquipment,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou２１３００１,China) Abstract:A nickelＧbasedgraphenecompositeelectroforminglayer waspreparedundersupercriticaland ordinaryconditions,respectively．Theeffectsoftwo preparationconditionsand grapheneoxide (GO)mass concentration on the microstructure,surface morphology,hardness and wear resistance ofthe composite electroforminglayerwereinvestigated．Theresultsshowthatcomparingtothoseundertheordinarycondition,the microstructureofthecompositeelectroforminglayerunderthesupercriticalconditionwascompactandthesurface roughnesswaslower;thepreferreddegreeoftheNicrystalface(１１１)and(２２)decreasedwhilethatofthecrystal face(２２０)increased;thehardnessandwearresistancewereimproved．Underthesupercriticalcondition,withthe increaseoftheGO massconcentration,themicrohardness,wearresistanceandtheembeddingamountofgraphene nanosheetsallfirstincreasedthendecreased．WhentheGO massconcentrationwas０．２０g??L－１,thegraphene contentinthecompositeelectroforminglayerwasthehighest,andthemicrohardnessreachedthelargestvalueof ７６８HV,alsotherelativewearresistancewasthebest． Keywords:supercriticalcarbondioxidefluid;graphene;compositeelectroforminglayer;microstructure; hardness;wearresistance

０ 引 言

復(fù)合電鑄技術(shù)通過引入第二相微粒,可有效提 高鑄層的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能,該技術(shù)在 航空航 天、精 密 儀 器 制 造 等 領(lǐng) 域 有 著 廣 泛 的 應(yīng) 用[１Ｇ５].但是,傳統(tǒng)復(fù)合電鑄技術(shù)存在傳質(zhì)能力差、 １２ 王云強(qiáng),等:氧化石墨烯質(zhì)量濃度對超臨界鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層性能的影響 第二相易團(tuán)聚、鑄層表面析氫嚴(yán)重等缺陷,導(dǎo)致復(fù)合 電鑄層的表面質(zhì)量和力學(xué)性能較差. 超臨界二氧化碳流體是二氧化碳?xì)怏w在溫度超 過３１ ℃、壓力大于７．３ MPa時的一種特殊狀態(tài),具 有極高的擴(kuò)散系數(shù)和較低的黏度[６Ｇ７].將超臨界二 氧化碳流體與傳統(tǒng)復(fù)合電鑄技術(shù)相結(jié)合可以顯著提 高電鑄過程中的傳質(zhì)能力,細(xì)化復(fù)合電鑄層晶粒,改 善鑄層表面形貌和力學(xué)性能,是一種發(fā)展迅速的復(fù) 合電鑄新技術(shù)[８Ｇ１１]. 石墨烯的厚度只有０．３３５４nm,是已知的最薄 材料,其獨(dú) 特 的 二 維 結(jié) 構(gòu) 使 其 具 有 優(yōu) 異 性 能,如: 強(qiáng)度高達(dá)１３０GPa;硬度高,甚至超過了鉆石;比表 面積大,約２６３０ m２??g －１.以 石 墨 烯 作 為 第 二 相 制備金屬基 石 墨 烯 復(fù) 合 材 料,可 以 顯 著 提 高 復(fù) 合 材料的致密性和耐磨性[１２Ｇ１３].目前金屬基石墨烯 復(fù)合材料主 要 通 過 高 溫 壓 制 而 成,在 其 壓 制 過 程 中會存在石墨烯結(jié)構(gòu)遭到破壞的問題.以石墨烯 納米薄片作 為 鎳 基 石 墨 烯 復(fù) 合 電 鑄 層 的 第 二 相, 采用復(fù)合電鑄方法可以避免破壞石墨烯結(jié)構(gòu).然 而由于石墨 烯 的 水 溶 性 極 差,無 法 制 備 出 石 墨 烯 均勻分 散 的 電 鑄 液.氧 化 石 墨 烯(GO)具 有 親 水 官能團(tuán)羥基和羧基,能夠均勻地分散在水中,從而 制備均勻分散的電鑄液.在電鑄過程中,GO 在陰 極被還原成石墨烯進(jìn)入鑄層.國內(nèi)外針對超臨界 條件和 GO 質(zhì)量濃度對鎳基復(fù)合電鑄層影響的研 究較少,而這 兩 個 因 素 對 鎳 基 石 墨 烯 復(fù) 合 電 鑄 層 的制備 和 性 能 影 響 較 大,具 有 很 大 的 研 究 意 義. 作者課題組前期采用正交法對超臨界條件下鎳基 石墨烯復(fù)合 電 鑄 層 的 制 備 工 藝 進(jìn) 行 了 研 究,發(fā) 現(xiàn) GO 質(zhì)量濃度會顯著影響鎳基石墨烯復(fù)合電 鑄 層 的性能[１４].在此基礎(chǔ)上,作者在超臨界條件下在 銅板表面制 備 了 鎳 基 石 墨 烯 復(fù) 合 電 鑄 層,研 究 了 GO 質(zhì)量濃度對復(fù)合電鑄層顯微結(jié)構(gòu)和性能 的 影 響,并與普通 條 件 下 制 備 的 復(fù) 合 電 鑄 層 進(jìn) 行 了 對 比,探討超臨 界 條 件 對 復(fù) 合 電 鑄 層 微 觀 結(jié) 構(gòu) 及 其 性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１． １ 試樣制備 試驗材料為電解鎳板和純銅板,表面尺寸分別為 ２５mm×２５mm 和 ２０ mm×２０ mm;GO 厚 ０．６~ １．０nm,片層直徑０．５~５μm,由蘇州恒球石墨烯科技 有限公司提供.電解液由分析純試劑及蒸餾水配制 而成,組成成分為３００g??L－１ Ni(SO３NH２)２??４H２O、１０g??L－１ NiCl２??６H２O、３０g??L－１H３BO３,超聲攪拌 至溶液澄清. 超臨界二氧化碳流體(SCFＧCO２)電鑄裝置如圖 １所示,該裝置通過高壓泵和自動調(diào)溫裝置控制反 應(yīng)釜內(nèi)的壓力與溫度,創(chuàng)造超臨界條件.電解鎳板 為陽極,銅板為陰極,均用砂紙打磨,去除表面氧化 膜,并固定在電鑄夾具的電極板上,確保通電良好. 兩電極板之間的距離為２０mm. 在４０mL蒸餾水中分別加入１０,１５,２０,２５mg GO,超聲攪拌１．５h后,與６０ mL電解液混合,繼 續(xù)超聲攪拌０．５h,攪拌溫度為３０ ℃,攪拌轉(zhuǎn)速為 ３６０r??min－１,頻率３０kHz.制備得到混合溶液中 GO 的質(zhì) 量 濃 度 分 別 為 ０．１,０．１５,０．２０,０．２５g?? L－１,將混合溶液倒入反應(yīng)釜內(nèi),滴入０．１ mL聚乙 二醇三甲基壬基醚表面活性劑,固定好電鑄夾具. 設(shè)定電鑄溫度為５２ ℃,待溫度穩(wěn)定后通入冷卻到 ２ ℃的 CO２ 氣 體,待 壓 力 達(dá) 到 １０ MPa后 關(guān) 閉 閥 門,設(shè)定電壓７V,電流密度４A??dm－２,接通電源 進(jìn)行電鑄,電鑄時間６０ min.電鑄結(jié)束后,取出銅 片用酒精清 洗 干 凈,測 試 其 表 面 鎳 基 石 墨 烯 復(fù) 合 電鑄層的性能. 根據(jù)前期研究結(jié)果[１５],添加質(zhì)量濃度為０．２g?? L－１ GO 溶液,在未施加超臨界條件(普通條件)下 在銅片表面制備了鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層,其材料 和其他工藝參數(shù)與超臨界條件下的一致.

圖１ SCFＧCO２ 電鑄裝置示意 Fig．１ SchematicdiagramofSCFＧCO２electroformingdevice

１． ２ 試驗方法

采用SＧ３４００型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合電鑄層 的表面顯微組織.采用 HXDＧ１０００TMS/LCD型數(shù)字 顯微 硬 度 計 測 復(fù) 合 電 鑄 層 的 表 面 硬 度,載 荷 為 １．９６N,保載時間為１０s,測５個點(diǎn)取平均值.采用 NanoveaTRB型摩擦磨損試驗機(jī)測耐磨性能,對磨件 為?６mm 的陶瓷球,摩擦?xí)r所施加的載荷為１０N,旋 轉(zhuǎn)半徑４mm,轉(zhuǎn)速４００r??min－１,試驗時間１５min,溫 度為室溫,摩擦類型為干摩擦.摩擦磨損試驗結(jié)束后,用 NanoveaPS５０型光學(xué)輪廓儀對磨損表面進(jìn)行 掃描,掃描范圍為２mm×２mm,步長１０μm,掃描速 度為３．３３mm??s－１;通過自帶的Professional３D軟件 算出磨損截面積,以磨損截面積來表征相對耐磨性, 磨損截面積越小,相對耐磨性越好;此外,還測試了復(fù) 合電鑄層的表面粗糙度,掃描直線長度５mm,步長 １０μm,掃描速度３．３３mm??s－１,隨機(jī)測５個部位取平 均值.通過 CSＧ２８００型碳硫分析儀測鎳基石墨烯復(fù) 合電鑄層中的碳含量,以低碳標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定,取樣質(zhì) 量０．１５g,分析時間４０s.采用 HDＧXpertPRO 型 X 射線衍射儀(XRD)分析復(fù)合電鑄層表面物相組成,采 用銅靶,２θ為１０°~８０°,掃描步長０．０１３°.

２ 試驗結(jié)果與討論

２． １ 復(fù)合電鑄層中石墨烯形貌及含量 由圖２可知:相比于普通條件,超臨界條件下制 備的鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中石墨烯含量較多;當(dāng) GO質(zhì)量濃度為０．１０g??L－１時,復(fù)合電鑄層中石墨烯 含量較少,石墨烯呈薄片狀覆蓋在鑄層表面;當(dāng) GO 質(zhì)量濃度為０．１５g??L－１時,復(fù)合電鑄層中石墨烯含量 增加,多層薄片狀石墨烯相互堆疊覆蓋在鑄層表面; GO質(zhì)量濃度為０．２g??L－１ 和０．２５g??L－１時,復(fù)合電 鑄層中的石墨烯含量進(jìn)一步增加,石墨烯與鎳緊密 結(jié)合形成致密結(jié)構(gòu).

圖２ 兩種條件不同 GO質(zhì)量濃度下制備復(fù)合電鑄層的SEM 形貌Fig.２ SEM micrographsofcompositeelectroforminglayerwithdifferentGOmassconcentrationundertwoconditionsa－d supercriticalconditionand e ordinarycondition

超臨界條件下復(fù)合電鑄層中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨 GO質(zhì)量濃度的變化曲線

鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中的碳主要來源于第二 相石墨烯,以鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中的碳含量來 表征石墨烯含量. 由圖３可以看出:隨著 GO 質(zhì)量濃度的增加,鎳 基石墨烯復(fù)合電鑄層中的碳含量先增后降,即石墨 烯含量先增后降;當(dāng) GO 質(zhì)量濃度為０．２０g??L－１時, 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大,為０．７７％,說明石墨烯含量 最多.這是因為當(dāng)電解液中 GO 納米薄片含量較少 (質(zhì)量濃度低于０．２０g??L－１)時,在攪拌和電場力的 作用下,其在陰極表面還原吸附的量較少;當(dāng)電解液 中 GO 較多(質(zhì)量濃度高于０．２０g??L－１)時,其在電 鑄液中不能均勻分散而發(fā)生團(tuán)聚[１３],因此復(fù)合電鑄

復(fù)合電鑄層厚度和表面粗糙度 在超臨界條件下,當(dāng) GO 質(zhì)量濃度分別為０．１０, ０．１５,０．２０,０．２５g??L－１ 時,得到的鎳基石墨烯復(fù)合電 鑄層的厚度分別為３９．６０,３９．４５,３９．４７,３７．７５μm,表 面粗糙度分別為１．８４,２．０６,２．３７,２．９５μm;在普通條 件下,GO質(zhì)量濃度為０．２０g??L－１時,鎳基石墨烯復(fù)合 電鑄層的厚度為７５．４４μm,表面粗糙度為７．８６μm. 普通條件下制備的復(fù)合電鑄層表面堆積了大量的團(tuán) 聚物,鑄層疏松不致密,有大量氣孔,因此其厚度和 表面粗糙度較大.而超臨界復(fù)合電鑄技術(shù)具有優(yōu)良 的傳質(zhì)性和混溶性,能夠顯著改善鑄層表面形貌,細(xì) 化鑄層晶粒,提高鑄層致密性,因此在超臨界條件下 制備的復(fù)合電鑄層較薄,表面較光滑.隨著 GO 質(zhì)量 濃度的增加,超臨界條件下鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層的 表面粗糙度呈上升趨勢,而厚度沒有明顯的變化.

圖４ 兩種條件下制備復(fù)合電鑄層的 XRD譜 Fig.４ XRDpatternsofcompositeelectroforminglayersprepared undertwoconditions a ordinaryand b supercriticalcondition

2.3 復(fù)合電鑄層中的鎳結(jié)晶取向和晶粒大小

從圖４中可以看出:兩種制備條件下鎳基石墨 烯復(fù)合電鑄層的各衍射峰所對應(yīng)的晶面均依次為鎳 (１１１)、(２００)和(２２０)晶面;與普通制備條件下的相 比,超臨界條件下的復(fù)合電鑄層中鎳晶粒的衍射峰 位置沒有明顯變化,只是衍射峰強(qiáng)度有所下降,衍射 峰的半高寬明顯增大.根據(jù) Scherrer公式可知,半高寬增大,說明晶粒得到了細(xì)化.這是因為超臨界 條件具有優(yōu)異的傳質(zhì)性和混溶性,可以顯著抑制晶 粒的長大,使各晶面的相對生長速率差異變小,衍射 峰強(qiáng)度降低. 鎳晶面的織構(gòu)系數(shù)T 的計算公式[１６]為 :

式中:I０,I 分別為標(biāo)準(zhǔn)鎳試樣和鎳基石墨烯復(fù)合電 鑄層試樣中鎳晶面的衍射峰強(qiáng)度;n 為衍射峰個數(shù), 根據(jù)圖４?。? 標(biāo)準(zhǔn)鎳的(１１１)、(２００)、(２２０)晶面的I０ 分別為 １００,４２,２１s－１,兩種條件下的晶面衍射峰強(qiáng)度由圖 ４獲得,代入式(１)計算得到鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層 中各鎳晶面的織構(gòu)系數(shù)如表１所示. 由表１可以看出:兩種制備條件下的鎳基石墨 烯復(fù)合電鑄層在(１１１)晶面上的擇優(yōu)取向程度均最 大;相對 于 普 通 條 件,超 臨 界 條 件 抑 制 了 (１１１)和 (２２０)晶面的生長,二者的擇優(yōu)程度相對減小,而對 (２００)晶面的抑制較小,擇優(yōu)程度較大.可見超臨界 條件可以增加鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中(２００)晶面 的擇優(yōu)度,降低(１１１)和(２２０)晶面的擇優(yōu)度.

表１ 復(fù)合電鑄層鎳晶面衍射峰強(qiáng)度及其織構(gòu)系數(shù) Tab．１ Diffractionpeakintensitiesandtexturecoefficientsof crystalfacesofNiincompositeelectroforminglayer

復(fù)合電鑄層的顯微硬度 普通條件下制備的鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層的顯 微硬度為４２５HV.由圖５可以看出,在超臨界條件 下,隨著 GO質(zhì)量濃度的增大,鎳基石墨烯復(fù)合電鑄 層的顯微硬度先升后降,當(dāng) GO 質(zhì)量濃度為０．２０g?? L－１時,顯微硬度達(dá)到最大,為７６８HV.這是因為隨GO 質(zhì)量濃度的增大,鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中石 墨烯的含量增大,數(shù)量較多的石墨烯為鎳晶粒提供 了大量的形核點(diǎn),阻止了晶粒長大,從而提高了復(fù)合 電鑄層的顯微硬度.而當(dāng) GO 質(zhì)量濃度過高時,復(fù) 合電鑄層中石墨烯含量下降,硬度隨之下降.。

圖５ 超臨界條件下復(fù)合電鑄層的顯微硬度隨 GO質(zhì)量濃度的 變化曲線 Fig．５ MicrohardnessofcompositeelectroforminglayerversusGO massconcentrationcurveundersupercriticalcondition

GO 質(zhì)量濃度的增大,鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中石 墨烯的含量增大,數(shù)量較多的石墨烯為鎳晶粒提供 了大量的形核點(diǎn),阻止了晶粒長大,從而提高了復(fù)合 電鑄層的顯微硬度.而當(dāng) GO 質(zhì)量濃度過高時,復(fù) 合電鑄層中石墨烯含量下降,硬度隨之下降.

２．５ 復(fù)合電鑄層的耐磨性 由圖６、圖７可以看出:在普通條件下制備的鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層的表面磨損深度較大,磨損截 面積較大,為３６８２μm２,超臨界條件下制備的復(fù)合 電鑄層的表面磨損相對較淺,磨損截面積較小;在超 臨界條件下,隨著 GO 質(zhì)量濃度的增加,復(fù)合電鑄層 的磨損截面積呈先降后升的變化趨勢,當(dāng) GO 質(zhì)量濃 度為０．２０g??L－１時,磨損截面積最小,為１２２４μm２, 復(fù)合電鑄層的相對耐磨性最好.

圖６ 兩種條件不同 GO質(zhì)量濃度下制備復(fù)合電鑄層的三維磨損形貌及其截面輪廓

Fig.６ ３DwearmorphologyandcrosssectionalprofilesofcompositeelectroforminglayerspreparedwithGOofdifferent

massconcentrationundertwoconditions a－d supercriticalconditionand e ordinarycondition

圖７ 超臨界條件不同 GO質(zhì)量濃度制備復(fù)合電鑄層的 磨損截面積 Fig．７ Sectional wear area of composite electroforming layer preparedwith GO ofdifferent massconcentrationunder supercriticalcondition

３ 結(jié) 論

(１)在超臨界條件下,GO 質(zhì)量濃度為０．２０g?? L－１時,制備的鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層組織致密,石 墨烯嵌入量最多;隨著 GO 質(zhì)量濃度的增加,復(fù)合電 鑄層的顯微硬度和耐磨性均呈先增后降的變化趨 勢;當(dāng) GO 質(zhì)量濃度為０．２０g??L－１時,復(fù)合電鑄層的 顯微 硬 度 最 大,為 ７６８ HV,磨 損 截 面 積 最 小,為１２２４μm２,其相對耐磨性最好. (２)超臨界條件下鎳基石墨烯復(fù)合電鑄層中的 石墨烯含量比普通條件下的提高了５．９倍,顯微硬 度提高了１．８倍,相對耐磨性提高了３倍;超臨界條 件能夠提高復(fù)合電鑄層中的石墨烯含量,從而提高 鑄層性能. (３)與普通條件下的相比,超臨界條件可以增 強(qiáng)復(fù)合電鑄層中鎳(２００)晶面的擇優(yōu)度,降低(１１１) 和(２２０)晶面的擇優(yōu)度,其良好的傳質(zhì)性能可以細(xì)化 晶粒,從而提高電鑄層的致密性.