一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及激光加工制造以及摩擦学领域，尤其涉及一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用。


背景技术：

2.碳基薄膜是一类具有优异摩擦学特性的固体润滑薄膜。传统制造碳基薄膜的方法包括化学气相沉积、磁控溅射以及脉冲激光沉积等，然而，利用上述方法制备碳基薄膜往往需要特殊的气氛条件以及真空环境，具有加工步骤复杂、成本高、耗时长等缺点，在一定程度上影响了它们在快速制备碳基薄膜方面的适用性；且现有方法制备得到的具有润滑功能的碳基薄膜存在耐磨性不佳的问题。因此，发展一种工艺简单、操作方便、能够制备出低摩擦且高耐磨性的碳基薄膜的方法具有重要意义。
3.因此，现有技术还有待于改进和发展。


技术实现要素：

4.鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用，旨在解决现有制备具有润滑功能的碳基薄膜的方法复杂、制备得到的碳基薄膜耐磨性不佳的问题。
5.本发明的技术方案如下：
6.本发明的第一方面，提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的制备方法，其中，包括步骤：
7.提供聚酰亚胺胶液及基板；
8.将所述聚酰亚胺胶液涂覆在所述基板上，进行固化后，得到聚酰亚胺薄膜；
9.对所述聚酰亚胺薄膜进行激光直写加工，得到低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜。
10.可选地，所述聚酰亚胺胶液为热塑性聚酰亚胺胶液。可选地，所述基板选自硅基板、石英基板、不锈钢基板中的一种。
11.可选地，所述涂覆的方式为旋涂，所述旋涂的速度为4000-5000rpm/min，所述旋涂的时间为10-15s。
12.可选地，所述固化包括第一次固化和第二次固化；
13.所述第一次固化的温度为140-160℃，时间为5-20min；
14.所述第二次固化的温度为250-260℃，时间为5-20min。
15.可选地，所述对所述聚酰亚胺薄膜进行激光直写加工所采用的激光光源为蓝紫光激光光源。
16.可选地，所述激光直写的参数设置如下：
17.激光功率为3-10w，扫描速度为1-2cm/s，激光直写的深度为50％。
18.可选地，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为2-3μm，和/或，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的厚度为3-5μm。
19.本发明的第二方面，提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜，其中，采用本发明如上所述的制备方法制备得到。
20.本发明的第三方面，提供一种本发明如上所述的低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜在摩擦学领域中的应用。
21.有益效果：本发明提供了一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的制备方法以聚酰亚胺胶液为原料，并将其涂覆在基板上，加热固化形成薄膜，通过一次激光直写利用强度可变的激光束对聚酰亚胺薄膜表面实施不同程度的碳化加工，快速制备得到大面积低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜。该方法工艺简单、操作方便、成本低廉、不需要特殊的环境以及气体条件，可快速、高效地制备出具有低摩擦耐磨损性能的纳晶石墨烯薄膜。通过本发明提供的制备方法制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命，在摩擦学领域具有广阔的应用前景。
附图说明
22.图1为本发明实施例中低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的制备流程图。
23.图2为本发明实施例1中纳晶石墨烯薄膜的制备示意图。
24.图3中(a)为本发明实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜的sem图，(b)为本发明实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜的tem图。
25.图4为本发明实施例1中采用不同激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜和对比例1中采用不同激光功率(0-2w)制备得到的聚酰亚胺薄膜的拉曼光谱图。
26.图5为本发明实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜和对比例1中采用0w激光功率制备得到的聚酰亚胺薄膜在2n载荷下的摩擦曲线图。
27.图6为本发明实施例1中采用不同激光功率(3-10w)制备得到的纳晶石墨烯薄膜和对比例1中采用0-2w激光功率制备得到的聚酰亚胺薄膜在2n载荷下的摩擦系数图。
28.图7a为本发明实施例1中采用4w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在8n载荷下的摩擦曲线图，图7b为本发明实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在8n载荷下的摩擦曲线图。
29.图8为本发明实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在20n载荷下的摩擦曲线图。
具体实施方式
30.本发明提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.现有技术中，制备碳基薄膜的方法主要有化学气相沉积、磁控溅射以及脉冲激光沉积等，然而利用上述方法制备得到的碳基薄膜往往需要特殊的气氛条件以及真空环境，具有加工步骤复杂，成本高、耗时长等缺点，在一定程度上影响了它们在快速制备碳基薄膜方面的适用性，且上述方法制备得到的碳基薄膜的耐磨性不佳。
32.基于此，本发明实施例提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的制备方法如图
1所示，其中，包括步骤：
33.s1、提供聚酰亚胺胶液及基板；
34.s2、将所述聚酰亚胺胶液涂覆在所述基板上，进行固化后，得到聚酰亚胺薄膜；
35.s3、对所述聚酰亚胺薄膜进行激光直写加工，得到低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜。
36.现有技术中，激光直写是制作衍射光学元件的主要技术之一，可在光刻胶的表面直接写入多台阶、连续位相浮雕微结构，与二元光学方法相比，工艺简单，避免了多套掩模之间的套刻对准环节，改善了衍射光学元件的加工精度，从而提高衍射光学元件的衍射效率。激光直写是利用强度可变的激光束对基片表面的抗蚀材料实施变剂量曝光，在抗蚀层表面形成所要求的产物。激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，从而把设计图形直接转移到掩模上。激光直写系统的基本结构主要由he-cd激光器、声光调制器、投影光刻物镜、ccd摄像机、显示器、照明光源、工作台、调焦装置、he-ne激光干涉仪和控制计算机等部分构成。激光直写的基本工作流程是：用计算机产生设计的微光学元件或待制作的vlsi掩摸结构数据；将数据转换成直写系统控制数据，由计算机控制高精度激光束在光刻胶上直接扫描曝光；经显影和刻蚀将设计图形传递到基片上。
37.本发明实施例将激光直写技术引入到具有低摩擦耐磨损的碳基薄膜的制备中，利用激光直写技术制备得到了低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜，利用强度可变的激光束对聚酰亚胺薄膜表面实施不同程度的碳化加工，激光照射后得到纳晶石墨烯薄膜，具有加工效率高、周期短、工艺简单、操作方便以及灵活性高等优点，且不需要特殊的环境以及气体条件，可以在大气环境下制备，这使得制备碳基薄膜的过程变得更加可控。具体来说，本发明实施例以聚酰亚胺胶液为原料，并将其涂覆在基板上，加热固化形成聚酰亚胺薄膜，通过一次激光直写快速制备大面积纳晶石墨烯。该方法工艺简单、操作方便、成本低廉，可快速、高效地制备出具有低摩擦耐磨损性能的大面积纳晶石墨烯薄膜。制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命，在摩擦学领域具有广阔的应用前景，且其他方法制备得到的碳基薄膜在20n高载荷下很难具有长磨损寿命。
38.步骤s1中，在一种实施方式，所述聚酰亚胺胶液为热塑性聚酰亚胺胶液。所述热塑性聚酰亚胺胶液的溶剂可以为n,n-二甲基乙酰胺(dmac)，但不限于此，本实施方式中不限制热塑性聚酰亚胺胶液的制备方法及来源，可以是自制的，也可以是市售的，热塑性聚酰亚胺胶液的浓度可根据实际需要进行调整。
39.在一种具体的实施方式中，所述热塑性聚酰亚胺胶液中热塑性聚酰亚胺的质量浓度为20％。
40.在一种实施方式中，所述基板选自硅基板、石英基板、不锈钢基板中的一种，但不限于此。
41.在一种实施方式中，所述硅基板为抛光硅基板，此抛光硅基板更有利于聚酰亚胺在其表面上成膜，使得制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有较低的摩擦系数和较好的耐摩擦性能。
42.步骤s2中，将所述聚酰亚胺胶液涂覆在所述基板上，可通过加热的方式进行固化，得到聚酰亚胺薄膜。
43.在一种实施方式中，所述涂覆的方式为旋涂，所述旋涂的速度为4000-5000rpm/min，所述旋涂的时间为10-15s。采用旋涂的方式，可以使得聚酰亚胺薄膜的厚度更加均匀，进而使得制备得到的纳晶石墨烯薄膜各位置的性能更加一致，本实施方式不仅限于旋涂的方式，还可以采用其他的涂覆方式。
44.在一种实施方式中，所述固化包括第一次固化和第二次固化；
45.所述第一次固化的温度为140-160℃，时间为5-20min；
46.所述第二次固化的温度为250-260℃，时间为5-20min。
47.本实施方式中固化过程包括第一次固化和第二次固化，也就是说本实施方式中固化包括两个阶段，第一次固化采用的温度为140-160℃，时间为5-20min，目的是去除聚酰亚胺胶液中的溶剂、可能少量存在的水分等；第二次固化采用的温度为250-260℃，时间为5-20min，目的是使得聚酰亚胺充分的亚胺化，能够更好地固化，得到性能稳定的聚酰亚胺薄膜。本实施方式中采用分段固化的方法使得聚酰亚胺薄膜中的溶剂、可能少量存在的水分等可以充分挥发，使得固化后的聚酰亚胺薄膜在经过激光直写后不会出现鼓泡或者薄膜脱落的现象。
48.在一种实施方式中，所述将所述聚酰亚胺胶液涂覆在所述基板上，进行固化后，得到聚酰亚胺薄膜的步骤之后还包括：
49.将所述聚酰亚胺薄膜冷却至常温。
50.本实施方式中，可采用自然冷却的方法，也可通过快速冷却的方法，自然冷却的方法节能环保，且能够使得固化后的聚酰亚胺薄膜更加稳定。
51.步骤s3中，在一种实施方式中，所述对所述聚酰亚胺薄膜进行激光直写加工所采用的激光光源为蓝紫光激光光源。波长越短代表聚焦点越小，聚焦点越小在光点上的能量就越大，本实施方式中，当激光光源为蓝紫光激光光源时，可以获得较小的激光焦点，使得精度有所提高。
52.在一种更为具体的实施方式中，所述激光光源的波长为405纳米。
53.在一种实施方式中，所述激光直写的参数设置如下：
54.激光功率为3-10w，扫描速度为1-2cm/s，激光直写的深度为50％。该激光直写参数可以保证能够制备得到纳晶石墨烯薄膜，且制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命。本实施方式中，若激光功率为0-2w，则聚酰胺薄膜的结构不会发生变化，无法制备得到纳晶石墨烯薄膜，而当激光功率大于10w时，氧化加剧，导致纳晶石墨烯薄膜质量降低。此外，不同激光功率也影响着制备得到的纳晶石墨烯薄膜的厚度，而当激光功率为3-10w时可以制备得到最佳厚度的纳晶石墨烯薄膜，此时该纳晶石墨烯薄膜具有较低的摩擦系数和较长的耐磨损寿命。
55.在一种实施方式中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为2-3μm。该厚度的聚酰亚胺薄膜更适用于利用激光直写制备得到纳晶石墨烯薄膜。
56.在一种实施方式中，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的厚度为3-5μm。该厚度的纳晶石墨烯薄膜能够具有更低的摩擦系数和更好的耐磨损性能。
57.在一种实施方式中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为2-3μm，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的厚度为3-5μm。
58.本实施方式中，由于纳晶石墨烯薄膜更为蓬松，因此，采用厚度为2-3μm的聚酰亚
胺薄膜制备得到的低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的厚度可达到3-5μm。
59.本发明实施例还提供一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜，其中，采用本发明实施例如上所述的制备方法制备得到。
60.在一种实施方式中，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的厚度为3-5μm，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命。具体测试时，可不必将纳晶石墨烯薄膜与其底部的基板剥离，可将所述纳晶石墨烯薄膜及其底部的基板直接置于球盘式摩擦试验台上进行测试，其中，对磨球采用不锈钢球或铜球，直径尺寸可为6.35mm，试验台转速可为180rpm/min，载荷范围为2-20n，具体的测试参数不限于此，可以根据实际情况进行调整。
61.本发明实施例还提供一种本发明实施例所述的低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜在摩擦学领域中的应用。本发明实施例提供的所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命，在摩擦学领域中具有广阔的应用前景，例如可作为极端工况条件下的减磨耐磨材料或润滑材料等。
62.下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。
63.实施例1
64.纳晶石墨烯薄膜的制备示意图如图2所示，将质量浓度为20％的热塑性聚酰亚胺液体胶(购于弘富塑胶原料经营部，型号或产品名称为热塑性pi胶)滴在2.5cm
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2.5cm正方形抛光硅基板上并进行旋涂，旋涂速度为5000rpm/min，旋涂时间为10s，将加热台升温至150℃，将旋涂有聚酰亚胺胶液的抛光硅基板转移至加热台上，保温时间为5min，然后将加热台升温至260℃，保温时间为5min，进行两段固化，形成厚度为2μm聚酰亚胺薄膜并冷却至室温。将预设好的图案导入至激光直写设备(型号为l3 pro)，通过激光直写在聚酰亚胺薄膜上进行若干条平行直线的扫描形成若干条平行直线填充的正方形(平行直线之间的距离取决于设备精度，且图案的形状不影响薄膜的性质)，在抛光硅基板上制备得到图案化的纳晶石墨烯薄膜。其中，激光直写设备中激光光源为405nm的蓝紫光，激光直写的深度为50％，扫描速度为2cm/s，激光功率分别为设置为3w、4w、5w、6w、7w、8w、9w、10w，得到的纳晶石墨烯薄膜的厚度分别为3.1μm、3.4μm、3.4μm、3.5μm、3.8μm、3.9μm、4.3μm、4.8μm。
65.对比例1
66.将激光功率分别设置为0w、1w、2w，其余步骤与实施例1形同，制备得到的是聚酰亚胺薄膜。
67.测试
68.(1)sem、tem、拉曼测试
69.将实施例1中采用不同激光功率(3w、4w、5w、6w、7w、8w、9w、10w)制备得到的纳晶石墨烯薄膜与对比例1中采用0w、2w激光功率制备得到的聚酰亚胺薄膜进行拉曼测试，结果如图4所示，并将采用7w的激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜进行sem和tem测试，结果如图3中(a)和(b)所示。由图4可以看出，当激光功率为0-2w时，制备得到的是聚酰亚胺薄膜(pi)，无法制备得到纳晶石墨烯薄膜，而当激光功率为3-10w时，制备得到的是纳晶石墨烯薄膜，同时由图3中(a)和(b)可以看出，该纳晶石墨烯薄膜呈多层结构。
70.(2)2n载荷下的摩擦测试
71.将实施例1中采用不同激光功率制备的纳晶石墨烯薄膜及其底部的抛光硅基板固
定于球盘式摩擦试验台上进行摩擦实验，对磨球为直径6.35mm的铜球，试验台转速设置为180rpm/min(3圈/秒)，摩擦圆半径为1.4mm，载荷为2n。图5为聚酰亚胺薄膜与采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜的摩擦曲线图，纳晶石墨烯薄膜相比聚酰亚胺薄膜具有较低的摩擦系数。图6为不同激光功率下制备得到的薄膜的稳定阶段的摩擦系数。可以看出，不同激光功率(3-10w)下制备得到纳晶石墨烯薄膜均具有较低的摩擦系数，而聚酰亚胺薄膜具有较高的摩擦系数。
72.(3)8n载荷下的摩擦测试
73.将实施例1中采用4w、7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜及其底部的抛光硅基板固定于球盘式摩擦试验台上，对磨球为直径6.35mm的铜球，试验台转速为180rpm/min(3圈/秒)，摩擦圆半径为1.4mm。摩擦实验分为两个阶段，首先，在2n载荷作用下，薄膜摩擦达到稳定工作的状态，摩擦圈数为5000-5500圈，之后在稳定工作的基础上将载荷直接加载至8n，结果如图7a和7b所示，其中，图7a为采用4w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在8n载荷下的摩擦曲线，图7b为采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在8n载荷下的摩擦曲线。可以看出，分别采用4w、7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜在8n载荷作用下磨损寿命超过15000圈且摩擦系数没有明显提高，且摩擦系数可低至0.10以下，说明本发明制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有低摩擦的特性。
74.(4)耐磨性测试
75.将实施例1中采用7w激光功率制备得到的纳晶石墨烯薄膜及其底部的抛光硅基板固定于球盘式摩擦试验台上，对磨球为直径6.35mm的铜球，试验台转速为180rpm/min(3圈/秒)，摩擦圆半径为1.4mm。摩擦实验分为两个阶段，首先，在2n载荷作用下，薄膜摩擦达到稳定工作的状态，摩擦圈数为2000-2500圈，之后在稳定工作的基础上直接将载荷加载至20n，结果如图8所示，可知，纳晶石墨烯薄膜在20n载荷作用下磨损寿命超过100000圈，说明本发明制备得到的纳晶石墨烯薄膜在高载荷下具有良好的耐磨损特性。
76.综上所述，本发明提供了一种低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜及其制备方法与应用，所述低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜的制备方法以聚酰亚胺胶液为原料，并将其涂覆在基板上，加热固化形成薄膜，通过一次激光直写利用强度可变的激光束对聚酰亚胺薄膜表面实施不同程度的碳化加工，快速制备得到大面积低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜。本发明采用激光直写技术制备低摩擦耐磨损的纳晶石墨烯薄膜，该方法工艺简单、操作方便、成本低廉，可快速、高效地制备出具有低摩擦耐磨损性能的纳晶石墨烯薄膜。通过本发明提供的制备方法制备得到的纳晶石墨烯薄膜具有低于0.10的摩擦系数并且在20n高载荷下具备长磨损寿命，在摩擦学领域具有广阔的应用前景。
77.应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。