本发明涉及材料，具体而言，涉及一种石墨烯-金刚石复合涂层及其制备方法与应用。
背景技术：
1、随着机械与能源领域的快速发展，对关键动力部件在高温、高压等极端环境下的耐久性、能量损耗和润滑性能提出了更高的要求。石墨烯由于其出色的润滑性能，成为了材料科学研究的热点。然而，石墨烯的低抗弯刚度导致其在承受载荷时容易发生起皱现象，从而在滑动摩擦过程中产生额外的能量耗散，这不利于保持其理想的层状结构，相应地影响了其耐磨性。
2、鉴于此，特提出本发明。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种石墨烯-金刚石复合涂层及其制备方法与应用，以解决或改善上述技术问题。
2、本发明可这样实现：
3、第一方面，本发明提供一种石墨烯-金刚石复合涂层，其包括金刚石涂层和石墨烯涂层；
4、其中，金刚石涂层用于设置于硬质合金基材的表面，石墨烯涂层中的石墨烯sp2键结构与金刚石涂层中的金刚石sp3键结构共价结合；石墨烯涂层具有由与金刚石涂层结合的界面向远离金刚石涂层的方向呈垂直为主的非平行生长的石墨烯结构。
5、在可选的实施方式中，石墨烯-金刚石复合涂层具有以下特征中的至少一种：
6、特征1：金刚石涂层的厚度为1μm～15μm；
7、特征2：金刚石涂层中的金刚石为超纳米晶金刚石、纳米晶金刚石或微米晶金刚石；
8、特征3：石墨烯涂层的厚度为1μm～5μm。
9、在可选的实施方式中，超纳米晶金刚石的平均晶粒粒径为5nm～30nm；或，纳米晶金刚石的平均晶粒粒径为40nm～100nm；或，微米晶金刚石的平均晶粒粒径为1000nm～3000nm。
10、在可选的实施方式中，石墨烯-金刚石复合涂层还具有以下特征中的至少一种：
11、特征4：石墨烯-金刚石复合涂层的摩擦系数不超过0.1；
12、特征5：石墨烯-金刚石复合涂层的磨损率不超过1×10-6mm3/nm。
13、第二方面，本发明提供一种如前述实施方式任一项的石墨烯-金刚石复合涂层的制备方法，包括以下步骤：于硬质合金基材的表面制备金刚石涂层，于金刚石涂层的表面制备液态催化剂层，于液态催化剂层的表面制备石墨烯涂层；对残留的液态催化剂层进行刻蚀。
14、在可选的实施方式中，先对硬质合金基材进行刻蚀和清洗，再制备金刚石涂层。
15、在可选的实施方式中，采用热丝化学气相沉积技术制备金刚石涂层，金刚石涂层的制备条件包括：沉积功率为1500w～2500w，沉积气压为1mbar～10mbar，氢气流量为9000sccm～18000sccm，甲烷流量为100sccm～500sccm，沉积温度为800℃～1000℃，沉积时间为6h～30h。
16、在可选的实施方式中，采用滴注法于金刚石涂层的表面涂覆液态金属以形成液态催化剂层。
17、在可选的实施方式中，液态金属的涂覆量为0.5g/cm2～5g/cm2。
18、在可选的实施方式中，液态金属包括液态镓、液态铜和液态镍中的至少一种。
19、在可选的实施方式中，液态金属包括液态镓。
20、在可选的实施方式中，采用管式炉高温处理技术制备石墨烯涂层，石墨烯涂层的制备条件包括：石英管抽真空度至10mtorr～30mtorr，氢气流量为100sccm～1000sccm，生长温度为700℃～1200℃，生长时间为10min～40min。
21、第三方面，本发明提供一种石墨烯-金刚石复合涂层材料，其包括基底以及设置于基底表面的如前述实施方式任一项的石墨烯-金刚石复合涂层。
22、第四方面，本发明提供一种耐磨件，该耐磨件具有如前述实施方式的石墨烯-金刚石复合涂层材料。
23、本发明的有益效果包括：
24、本发明提出的石墨烯-金刚石复合涂层，其包括金刚石涂层和石墨烯涂层。其中，金刚石涂层可作为石墨烯涂层的承载相和固态碳源。金刚石具有较高的力学性能，可以提供坚固的支撑，减少石墨烯的起皱和边缘包裹现象，从而维持一个更加有序的滑动界面，并潜在地提高石墨烯的耐磨性。
25、本发明中，石墨烯涂层的石墨烯结构是由与金刚石涂层结合的界面向远离金刚石涂层的方向呈垂直为主的非平行生长。相较于平行形式生长的石墨烯，本发明提供的呈垂直为主的非平行取向生长的石墨烯结构能够赋予涂层极佳的耐磨性、低摩擦系数和优异的抗氧化性能，还能在高温、高负荷的工作条件下保持稳定，从而显著提高耐磨件的使用寿命和加工效率。
26、此外，本发明中，通过金刚石涂层为石墨烯涂层的生长提供固态碳源，无需外界引入碳前驱体，简化了制备流程。从微观结构考虑，金刚石和石墨烯的晶格失配小，避免了摩擦热过程中引起的体积膨胀。并且，金刚石和石墨烯都是碳的同素异形体，金刚石涂层的高硬度可为石墨烯提供支撑层，并在交界面形成超强的c-c共价键，显著提升石墨烯的附着强度；具有柔性特性的石墨烯可以避免金刚石发生脆性断裂，并显著提升金刚石涂层表面的润滑性能，二者形成优势互补。
27、需进一步强调的是，就目前的现有技术来说，一般石墨烯生长是进行层状生长，不超过10层，其厚度大约在1nm～4nm；而本发明首次提出了将石墨烯呈垂直为主的非平行生长(即进行竖向生长)的思想，即并成功提供了实现该思想的具体方案，包括制备方法和制备条件，有效提供了具有较优耐磨性能和耐滑性能的石墨烯材料。
1.一种石墨烯-金刚石复合涂层，其特征在于，包括金刚石涂层和石墨烯涂层；
2.根据权利要求1所述的石墨烯-金刚石复合涂层，其特征在于，所述石墨烯-金刚石复合涂层具有以下特征中的至少一种：
3.根据权利要求1或2所述的石墨烯-金刚石复合涂层，其特征在于，所述石墨烯-金刚石复合涂层还具有以下特征中的至少一种：
4.一种如权利要求1～3任一项所述的石墨烯-金刚石复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：于硬质合金基材的表面制备金刚石涂层，于所述金刚石涂层的表面制备液态催化剂层，于所述液态催化剂层的表面制备石墨烯涂层；对残留的所述液态催化剂层进行刻蚀；
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用热丝化学气相沉积技术制备金刚石涂层，所述金刚石涂层的制备条件包括：沉积功率为1500w～2500w，沉积气压为1mbar～10mbar，氢气流量为9000sccm～18000sccm，甲烷流量为100sccm～500sccm，沉积温度为800℃～1000℃，沉积时间为6h～30h。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用滴注法于所述金刚石涂层的表面涂覆液态金属以形成所述液态催化剂层；
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述液态金属包括液态镓、液态铜和液态镍中的至少一种；
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，采用管式炉高温处理技术制备所述石墨烯涂层，所述石墨烯涂层的制备条件包括：石英管抽真空度至10mtorr～30mtorr，氢气流量为100sccm～1000sccm，生长温度为700℃～1200℃，生长时间为10min～40min。
9.一种石墨烯-金刚石复合涂层材料，其特征在于，包括基底以及设置于所述基底表面的如权利要求1～3任一项所述的石墨烯-金刚石复合涂层。
10.一种耐磨件，其特征在于，所述耐磨件具有如权利要求9所述的石墨烯-金刚石复合涂层材料。
