CN103286919B - 一种经石墨烯表面处理的模具及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种经石墨烯表面处理的模具，所述模具的模仁表面经处理具有一层石墨烯纳米薄膜。所述石墨烯纳米薄膜的厚度在0.1μm~1μm。还公开了一种模具制作方法，包括在所述模具的模仁的表面形成一层石墨烯纳米薄膜。通过对模具的模仁的表面处理，在其表面镀上一层石墨烯纳米薄膜，能极大地增强模具表面机械性能，并可使模具快速加热或冷却，提高制品质量，并延长模具寿命。

Description

一种经石墨烯表面处理的模具及其制作方法
技术领域
本发明涉及模具，特别是涉及一种经石墨烯表面处理的模具及其制作方法。
背景技术
根据现有的模具制作工艺，铸件在生产过程中，因母模具设计、制造的缺陷，以及铸造型砂湿度不均，或温度不符合要求，造成模具本身厚薄不均，造型水平参差不齐。这些模具经粗加工后，在结构复杂、异型面较多的铸件模体上，会产生许多缩孔、气孔、陷料等缺陷，缺陷严重的母模胚件甚至像老鼠洞、马蜂窝一样。这样一来，制品很容易一些常见的缺陷，如制品的凹痕、银条痕、飞边、变形、熔结痕、波流纹、品色不均匀、光洁度不良、脱模的破损及裂纹等不良现象，极大影响了制品的良率。模具上的缺陷需要不断地修补，模具的寿命也较短，增加了实际的成本输出，降低了生产工作效率。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种经石墨烯表面处理的模具，使模具表面能够快速升温或降温，大幅度改善模具表面性能，显著提高制品的质量品质，并大大延长模具寿命。
另一目的是提供一种模具的制作方法，以该方法制出的模具能获得上述优点。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种经石墨烯表面处理的模具，所述模具的模仁表面经处理具有一层石墨烯纳米薄膜。
优选地，所述石墨烯纳米薄膜的厚度在0.1μm～1μm。
所述石墨烯纳米薄膜是经微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法或化学合成法在所述模具模仁的表面上形成的石墨烯纳米薄膜。
一种模具的制作方法，包括在所述模具的模仁表面形成一层石墨烯纳米薄膜。
优选地，是形成厚度为0.1μm～1μm的所述石墨烯纳米薄膜。
所述石墨烯纳米薄膜是经微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法、或化学合成法在所述模具模仁的表面上形成。
优选地，所述石墨烯纳米薄膜是经化学气相沉积法在所述模具模仁的表面上形成，其过程包括以下步骤：
将作为碳源的碳氢化合物在特定条件下高温分解出自由碳原子；
使自由碳原子向模仁表面沉积；
碳原子吸附并扩散于模仁表面；
在模仁表面上发生碳原子重组，经历结构重新组合、成核和石墨烯薄膜生长；
石墨烯薄膜从模仁表面析出；
石墨烯薄膜在模仁表面扩散；
完成石墨烯纳米薄膜成膜过程。
更优选地，所述过程的工艺条件包括：
碳源为甲烷；
载气为氢气；
加入惰性气体氩气；
真空条件为10-3～10-1；
气体流量为500～900ml/min；
模仁的表面温度为400～600℃；
镀膜温度为900～1200℃。
模仁的温度为500℃左右，镀膜温度为1000℃左右。
更优选地，所述方法还包括在形成石墨烯纳米薄膜之前对模具进行表面活性前处理的步骤，所述表面活性处理优选为离子轰击，所述离子轰击优选的工艺条件包括：电压1～5kV；电流80～120mA；时间10～40min。
更优选地，所述方法还包括在形成石墨烯纳米薄膜之后的退火处理步骤。
本发明通过在模具的模仁表面上制作一层石墨烯纳米薄膜，极大地增强模具表面机械性能，如耐磨性、硬度、耐蚀性等性质，能够快速升温或降温，有效地解决现有模具表面的常见缺陷和导致制品的不良问题，大幅提高成品和制品的良率、精度和完美性，并延长模具自身寿命，降低生产成本，提高生产效率。具体来说，由于在模具上的镀上了石墨烯纳米薄膜，其刚性强且超薄，可以延长模具的寿命；使用模具时，由于其石墨烯纳米薄膜的导热系数高，特别是平面方向导热系数可以达到5000w/(m.k)，在对制品的注塑成型过程中，能够快速地加热或冷却，且温度分散均匀，消除制品成型受热不均的影响；模具上的石墨烯纳米薄膜使得模具的摩擦系数低，表面光滑，制品脱模容易，不会造成制品表面的缺陷，这样可以提高制品的良率、精度和表面光滑性。
附图说明
（无）
具体实施方式
以下对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
一些实施例是关于一种经石墨烯表面处理的模具，不同于传统的模具，该模具模仁的表面经处理具有一层石墨烯纳米薄膜。优选地，所述石墨烯纳米薄膜的厚度在0.1μm～1μm。石墨烯（Graphene）是一种由sp2杂化碳原子构成的单层、二维蜂窝结构的纳米新材料。该结构非常稳定，各碳原子之间的连接非常柔韧，当受到外部机械力时，碳原子面就会发生弯曲变形，而不必重新排列来适应外力，这样就确保了结构稳定。石墨烯是极为坚硬的纳米材料，硬度比钢铁大10倍且极轻，并且具有优异的导电性能（200000cm2/（v.s）），导热性能（3000～5000w/（m.k））和力学性能（1060GPa）。
另一些实施例是关于一种模具的制作方法，包括在所述模具模仁的表面形成一层石墨烯纳米薄膜的步骤。优选地，形成厚度为0.1μm～1μm的所述石墨烯纳米薄膜。
石墨烯纳米薄膜的形成可以采用微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法或化学合成法。
在一些较佳的实施例里，可按照以下步骤在模具模仁的表面形成一层石墨烯纳米薄膜。
1、可先对模具进行表面活性处理。优选采用离子轰击的表面处理方法。离子轰击可达到清洁、改善表面性能等作用。更优选地，离子轰击的最佳工艺条件为：电压1～5kV；电流80～120mA；时间10～40min。
离子轰击作用：模仁表面的清洗，清除基片表面上的污染层和氧化物；离子的轰击作用都会使表面形貌发生很大的变化，使表面粗糙度增加，增加表面能，使石墨烯纳米薄膜与模具能更好地结合。
2、使用化学气相沉积法在模具表面镀膜，优选包括以下步骤：
CH4在设定的高温条件下分解，脱氢；
使自由碳原子向模仁表面沉积；
碳原子吸附并扩散于模仁表面；
在模仁表面上发生碳原子重组，经历结构重新组合、成核和石墨烯薄膜生长；
石墨烯薄膜从表面解吸；
石墨烯薄膜在表面扩散；
上述过程形成石墨烯纳米薄膜。
通过化学气相沉积法在模具上形成石墨烯纳米薄膜，控制镀膜的温度、压力和真空度等因素，可以有效地调整表面薄膜的性能，并实现石墨烯纳米薄膜在模具上的厚度可控性。上述步骤特别有利于在模具上获得大面积、厚度均一的石墨烯纳米薄膜。
优选实施例中，采用的化学气相沉积镀膜的工艺条件为：
碳源为甲烷；
载气为氢气；
惰性气体为氩气；
真空条件为10-3～10-1；
气体流量为500～900ml/min；
底材即模仁的温度为400～600℃，更优选为500℃；
温度为900～1200℃，更优选为1000℃；
按照上述优选工艺条件能够在模具上形成化学上稳定且物理性能极佳的表面薄膜。
3、化学气相沉积镀膜之后可进一步进行退火处理。该步骤可增强膜层与模具的结合力，有效地提高表面硬度和耐疲劳强度。
上述过程中，沉积镀膜的生长基体是直接使用模具的模仁，镀膜完成后，不需要进行转移等技术处理，即可直接使用。
最终，制成在表面上具有石墨烯纳米薄膜的模具，膜的厚度可控制在0.1～1μm，该模具表面光滑，平整度好，机械性能极佳。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种模具的制作方法，其特征在于，包括在所述模具模仁的表面形成一层石墨烯纳米薄膜，所述石墨烯纳米薄膜经化学气相沉积法在所述模具模仁的表面上形成，其过程包括以下步骤：
将作为碳源的碳氢化合物在特定条件下高温分解出自由碳原子；
使自由碳原子向模仁表面沉积；
碳原子吸附并扩散于模仁表面；
在模仁表面上发生碳原子重组，经历结构重新组合、成核和石墨烯薄膜生长；
石墨烯薄膜从模仁表面析出；
石墨烯薄膜在模仁表面扩散；
在模仁表面形成厚度在0.1μm～1μm的石墨烯纳米薄膜；
所述过程的工艺条件包括：
碳源为甲烷；
载气为氢气；
加入惰性气体氩气；
真空条件为10-3～10-1Pa；
气体流量为500～900ml/min；
模仁的表面温度为400～600℃；
镀膜温度为900～1200℃。
2.如权利要求1所述的制作方法，其特征在于，模仁的温度为500℃左右，镀膜温度为1000℃左右。
3.如权利要求1至2任一项所述的制作方法，其特征在于，还包括在形成石墨烯纳米薄膜之前对模具进行表面活性前处理的步骤，所述表面活性处理为离子轰击。
4.如权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述离子轰击优选的工艺条件包括：电压1～5kV；电流80～120mA；时间10～40min。
5.如权利要求1至2任一项所述的制作方法，其特征在于，还包括在形成石墨烯纳米薄膜之后的退火处理步骤。
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