دراسة حول مقاومة التآكل لطلاء السيراميك المصنوع من الألومينا المدعم بالجرافين/أنابيب الكربون النانوية

1. تحضير الطلاء
لتسهيل الاختبار الكهروكيميائي اللاحق، تم اختيار قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بأبعاد 30 مم × 4 مم. تم صقل القاعدة وإزالة طبقة الأكسيد المتبقية وبقع الصدأ من سطحها باستخدام ورق الصنفرة، ثم وُضعت في كأس يحتوي على الأسيتون. عُولجت البقع على سطح القاعدة بجهاز التنظيف بالموجات فوق الصوتية bg-06c من شركة Bangjie للإلكترونيات لمدة 20 دقيقة. أُزيلت بقايا التآكل من سطح القاعدة المعدنية باستخدام الكحول والماء المقطر، ثم جُففت باستخدام مجفف هواء. بعد ذلك، تم تحضير الألومينا (Al2O3) والجرافين وأنابيب الكربون النانوية الهجينة (mwnt-coohsdbs) بنسب (100: 0: 0، 99.8: 0.2: 0، 99.8: 0: 0.2، 99.6: 0.2: 0.2)، ووضعت في مطحنة كروية (qm-3sp2 من مصنع نانجينغ ناندا للأجهزة) للطحن والخلط. تم ضبط سرعة دوران المطحنة الكروية على 220 دورة في الدقيقة، ثم تم تشغيلها.

بعد عملية الطحن الكروي، تُضبط سرعة دوران خزان الطحن على النصف بالتناوب بعد اكتمال الطحن. يُخلط الركام الخزفي المطحون والمادة الرابطة بالتساوي بنسبة 1.0:0.8. وأخيرًا، تُحصل على طبقة الطلاء الخزفي اللاصقة من خلال عملية المعالجة.

2. اختبار التآكل
في هذه الدراسة، تم استخدام محطة العمل الكهروكيميائية Shanghai Chenhua chi660e لاختبار التآكل الكهروكيميائي، وذلك باستخدام نظام اختبار ثلاثي الأقطاب. يُستخدم قطب البلاتين كقطب مساعد، وقطب كلوريد الفضة كقطب مرجعي، والعينة المطلية كقطب عامل، بمساحة تعريض فعالة تبلغ 1 سم². يتم توصيل الأقطاب المرجعية والعاملة والمساعدة في خلية التحليل الكهربائي بالجهاز، كما هو موضح في الشكلين 1 و2. قبل الاختبار، يتم نقع العينة في محلول إلكتروليتي مكون من 3.5% من كلوريد الصوديوم.

3. تحليل تافل للتآكل الكهروكيميائي للطلاءات
يوضح الشكل 3 منحنى تافل للركيزة غير المطلية والطلاء الخزفي المغطى بمواد نانوية مختلفة بعد التآكل الكهروكيميائي لمدة 19 ساعة. ويُبين الجدول 1 بيانات جهد التآكل وكثافة تيار التآكل ومعاوقة التيار الكهربائي المُستخلصة من اختبار التآكل الكهروكيميائي.

يُقدِّم
كلما انخفضت كثافة تيار التآكل وارتفعت كفاءة مقاومة التآكل، كان تأثير الطلاء في مقاومة التآكل أفضل. يتضح من الشكل 3 والجدول 1 أنه عند زمن تآكل 19 ساعة، بلغ أقصى جهد تآكل للمصفوفة المعدنية غير المطلية -0.680 فولت، وكانت كثافة تيار التآكل للمصفوفة هي الأعلى أيضًا، حيث وصلت إلى 2.890 × 10⁻⁶ أمبير/سم². عند طلاء المعدن بطبقة سيراميك من الألومينا النقية، انخفضت كثافة تيار التآكل إلى 78%، وبلغت كفاءة الحماية 22.01%. يُشير هذا إلى أن طبقة السيراميك تؤدي دورًا وقائيًا أفضل، وتُحسّن مقاومة الطلاء للتآكل في المحلول الإلكتروليتي المتعادل.

عند إضافة 0.2% من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المحتوية على هيدروكسيد كبريتيد الصوديوم (mwnt-cooh-sdbs) أو 0.2% من الجرافين إلى الطلاء، انخفضت كثافة تيار التآكل، وزادت المقاومة، وتحسنت مقاومة الطلاء للتآكل بشكل ملحوظ، حيث بلغت كفاءة التآكل 38.48% و40.10% على التوالي. وعند طلاء السطح بمزيج من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المحتوية على هيدروكسيد كبريتيد الصوديوم (mwnt-cooh-sdbs) والجرافين بنسبة 0.2%، انخفض تيار التآكل من 2.890 × 10⁻⁶ أمبير/سم² إلى 1.536 × 10⁻⁶ أمبير/سم²، وارتفعت قيمة المقاومة القصوى من 11388 أوم إلى 28079 أوم، ووصلت كفاءة التآكل للطلاء إلى 46.85%. يدل هذا على أن المنتج المستهدف يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل، وأن التأثير التآزري لأنابيب الكربون النانوية والجرافين يُحسّن بشكل فعال مقاومة الطلاء الخزفي للتآكل.

4. تأثير مدة النقع على مقاومة الطلاء
من أجل استكشاف مقاومة التآكل للطلاء بشكل أكبر، مع الأخذ في الاعتبار تأثير وقت غمر العينة في الإلكتروليت على الاختبار، تم الحصول على منحنيات تغير مقاومة الطلاءات الأربعة عند أوقات غمر مختلفة، كما هو موضح في الشكل 4.

يُقدِّم
في المرحلة الأولى من الغمر (10 ساعات)، ونظرًا لكثافتها وبنيتها الجيدة، يصعب على الإلكتروليت اختراقها. في هذه المرحلة، تُظهر الطبقة الخزفية مقاومة عالية. بعد فترة من النقع، تنخفض المقاومة بشكل ملحوظ، إذ مع مرور الوقت، يُشكّل الإلكتروليت تدريجيًا قناة تآكل عبر المسام والشقوق في الطبقة ويتغلغل في بنيتها، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في مقاومتها.

في المرحلة الثانية، عندما تتراكم نواتج التآكل إلى حد معين، يتوقف الانتشار وتُسد الفجوة تدريجيًا. في الوقت نفسه، عندما يتغلغل الإلكتروليت إلى سطح التلامس بين الطبقة السفلية والمادة الأساسية، تتفاعل جزيئات الماء مع عنصر الحديد في المادة الأساسية عند نقطة اتصال الطلاء بالمادة الأساسية، مُكَوِّنةً طبقة رقيقة من أكسيد المعدن، مما يعيق تغلغل الإلكتروليت إلى داخل المادة الأساسية ويزيد من قيمة المقاومة. عند تآكل المادة الأساسية المعدنية غير المطلية كيميائيًا كهربائيًا، يتشكل معظم الراسب الأخضر المتكتل في قاع الإلكتروليت. لم يتغير لون المحلول الإلكتروليتي عند تحليل العينة المطلية كهربائيًا، مما يُثبت حدوث التفاعل الكيميائي المذكور.

نظراً لقصر مدة النقع وكثرة العوامل الخارجية المؤثرة، وللحصول على علاقة دقيقة بين تغيرات المعايير الكهروكيميائية، تم تحليل منحنيات تافل بعد 19 ساعة و19.5 ساعة. يوضح الجدول 2 كثافة تيار التآكل والمقاومة المُستخرجة باستخدام برنامج zsimpwin. يتضح أنه عند النقع لمدة 19 ساعة، مقارنةً بالركيزة غير المُعالجة، تكون كثافة تيار التآكل للألومينا النقية وطلاء الألومينا المركب المحتوي على مواد نانوية مضافة أقل، بينما تكون قيمة المقاومة أعلى. تكاد قيمة مقاومة الطلاء الخزفي المحتوي على أنابيب الكربون النانوية والطلاء المحتوي على الجرافين أن تكون متطابقة، في حين أن بنية الطلاء المُركب من أنابيب الكربون النانوية والجرافين تُحسّن بشكل ملحوظ. ويعود ذلك إلى التأثير التآزري لأنابيب الكربون النانوية أحادية البعد والجرافين ثنائي البعد، مما يُحسّن مقاومة التآكل للمادة.

مع زيادة مدة الغمر (19.5 ساعة)، تزداد مقاومة الركيزة غير المطلية، مما يشير إلى أنها في المرحلة الثانية من التآكل وتتكون طبقة من أكسيد المعدن على سطحها. وبالمثل، مع زيادة الوقت، تزداد مقاومة طبقة السيراميك المصنوعة من الألومينا النقية، مما يشير إلى أنه في هذه المرحلة، على الرغم من تأثير التباطؤ الذي تُحدثه طبقة السيراميك، إلا أن الإلكتروليت قد اخترق سطح التلامس بين الطبقة والمادة الأساسية، مُنتجًا طبقة أكسيد من خلال تفاعل كيميائي.
بالمقارنة مع طلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المحتوية على هيدروكسيد كبريتيد الصوديوم، وطلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من الجرافين، وطلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران المحتوية على هيدروكسيد كبريتيد الصوديوم و0.2% من الجرافين، انخفضت مقاومة الطلاء بشكل ملحوظ مع مرور الوقت، بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي. يشير هذا إلى أن الإلكتروليت لم يتغلغل إلى الوصلة بين الطلاء والركيزة في هذه المرحلة. ويعود ذلك إلى أن بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين تمنع تغلغل الإلكتروليت إلى الأسفل، وبالتالي تحمي الركيزة. وقد تم تأكيد التأثير التآزري للمادتين. يتميز الطلاء المحتوي على المادتين النانويتين بمقاومة أفضل للتآكل.

من خلال منحنى تافل ومنحنى تغير قيمة المعاوقة الكهربائية، تبيّن أن طلاء السيراميك الألومينا المدعم بالجرافين وأنابيب الكربون النانوية ومزيجهما يُحسّن مقاومة التآكل للمصفوفة المعدنية، وأن التأثير التآزري بينهما يُعزز مقاومة التآكل لطلاء السيراميك اللاصق. وللتعمق في دراسة تأثير الإضافات النانوية على مقاومة التآكل، تمّت دراسة مورفولوجيا السطح المجهرية للطلاء بعد تعرضه للتآكل.

يُقدِّم

يوضح الشكل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوجيا سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 304 المكشوف وسيراميك الألومينا النقي المطلي بتكبيرات مختلفة بعد التآكل. يُظهر الشكل 5 (A2) أن السطح أصبح خشنًا بعد التآكل. بالنسبة للركيزة غير المطلية، تظهر عدة حفر تآكل كبيرة على السطح بعد غمرها في المحلول الإلكتروليتي، مما يشير إلى ضعف مقاومة التآكل للمصفوفة المعدنية المكشوفة وسهولة اختراق المحلول الإلكتروليتي لها. أما بالنسبة لطلاء سيراميك الألومينا النقي، كما هو موضح في الشكل 5 (B2)، فعلى الرغم من تكوّن قنوات تآكل مسامية بعد التآكل، إلا أن البنية الكثيفة نسبيًا ومقاومة التآكل الممتازة لطلاء سيراميك الألومينا النقي تمنع بشكل فعال اختراق المحلول الإلكتروليتي، وهو ما يفسر سبب التحسن الفعال في مقاومة طلاء سيراميك الألومينا.

يُقدِّم

مورفولوجيا سطح mwnt-cooh-sdbs، والطلاءات المحتوية على 0.2% من الجرافين، والطلاءات المحتوية على 0.2% من mwnt-cooh-sdbs و0.2% من الجرافين. يتبين من الشكل 6 (B2 وC2) أن الطلاءين المحتويين على الجرافين يتميزان ببنية مسطحة، حيث يكون الترابط بين الجزيئات في الطلاء قويًا، وتُغلف الجزيئات المتجمعة بإحكام بواسطة مادة لاصقة. وعلى الرغم من تآكل السطح بفعل الإلكتروليت، إلا أن عدد قنوات المسام المتكونة يكون أقل. بعد التآكل، يصبح سطح الطلاء كثيفًا ويحتوي على عدد قليل من العيوب. أما بالنسبة للشكل 6 (A1 وA2)، فبسبب خصائص mwnt-cooh-sdbs، فإن الطلاء قبل التآكل يتميز ببنية مسامية موزعة بانتظام. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتزداد عمق القناة. بالمقارنة مع الشكل 6 (B2 وC2)، تحتوي البنية على عيوب أكثر، وهو ما يتوافق مع توزيع حجم قيمة مقاومة الطلاء التي تم الحصول عليها من اختبار التآكل الكهروكيميائي. يُظهر ذلك أن طلاء السيراميك الألومينا المحتوي على الجرافين، وخاصةً مزيج الجرافين وأنابيب الكربون النانوية، يتمتع بأفضل مقاومة للتآكل. ويعود ذلك إلى قدرة بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين على منع انتشار الشقوق وحماية المادة الأساسية بفعالية.

5. المناقشة والملخص
من خلال اختبار مقاومة التآكل لأنابيب الكربون النانوية ومضافات الجرافين على طلاء السيراميك الألومينا وتحليل البنية المجهرية لسطح الطلاء، تم التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

(1) عند مرور 19 ساعة من التآكل، أدى إضافة طلاء سيراميك الألومينا المختلط بنسبة 0.2% من أنابيب الكربون النانوية و0.2% من الجرافين إلى زيادة كثافة تيار التآكل من 2.890 × 10⁻⁶ أمبير/سم² إلى 1.536 × 10⁻⁶ أمبير/سم²، وزيادة المقاومة الكهربائية من 11388 أوم إلى 28079 أوم، وبلغت كفاءة مقاومة التآكل أعلى مستوياتها، حيث وصلت إلى 46.85%. وبالمقارنة مع طلاء سيراميك الألومينا النقي، يتميز الطلاء المركب من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية بمقاومة أفضل للتآكل.

(2) مع ازدياد مدة غمر الإلكتروليت، يتغلغل الإلكتروليت في سطح الوصلة بين الطلاء والركيزة مُكَوِّنًا طبقة من أكسيد المعدن، مما يُعيق تغلغله إلى الركيزة. تنخفض المعاوقة الكهربائية أولًا ثم ترتفع، وتكون مقاومة التآكل لطلاء السيراميك المصنوع من الألومينا النقي ضعيفة. وقد حال تركيب أنابيب الكربون النانوية والجرافين وتآزرهما دون تغلغل الإلكتروليت إلى الأسفل. عند نقع الطلاء المحتوي على مواد نانوية لمدة 19.5 ساعة، انخفضت المعاوقة الكهربائية بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي، وكانت مقاومة التآكل للطلاء جيدة.

6. آلية تأثير مقاومة الطلاء للتآكل
من خلال منحنى تافل ومنحنى تغير قيمة المعاوقة الكهربائية، تبيّن أن طلاء السيراميك الألومينا المدعم بالجرافين وأنابيب الكربون النانوية ومزيجهما يُحسّن مقاومة التآكل للمصفوفة المعدنية، وأن التأثير التآزري بينهما يُعزز مقاومة التآكل لطلاء السيراميك اللاصق. وللتعمق في دراسة تأثير الإضافات النانوية على مقاومة التآكل، تمّت دراسة مورفولوجيا السطح المجهرية للطلاء بعد تعرضه للتآكل.

يوضح الشكل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوجيا سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 304 المكشوف وسيراميك الألومينا النقي المطلي بتكبيرات مختلفة بعد التآكل. يُظهر الشكل 5 (A2) أن السطح أصبح خشنًا بعد التآكل. بالنسبة للركيزة غير المطلية، تظهر عدة حفر تآكل كبيرة على السطح بعد غمرها في المحلول الإلكتروليتي، مما يشير إلى ضعف مقاومة التآكل للمصفوفة المعدنية المكشوفة وسهولة اختراق المحلول الإلكتروليتي لها. أما بالنسبة لطلاء سيراميك الألومينا النقي، كما هو موضح في الشكل 5 (B2)، فعلى الرغم من تكوّن قنوات تآكل مسامية بعد التآكل، إلا أن البنية الكثيفة نسبيًا ومقاومة التآكل الممتازة لطلاء سيراميك الألومينا النقي تمنع بشكل فعال اختراق المحلول الإلكتروليتي، وهو ما يفسر سبب التحسن الفعال في مقاومة طلاء سيراميك الألومينا.

مورفولوجيا سطح mwnt-cooh-sdbs، والطلاءات المحتوية على 0.2% من الجرافين، والطلاءات المحتوية على 0.2% من mwnt-cooh-sdbs و0.2% من الجرافين. يتبين من الشكل 6 (B2 وC2) أن الطلاءين المحتويين على الجرافين يتميزان ببنية مسطحة، حيث يكون الترابط بين الجزيئات في الطلاء قويًا، وتُغلف الجزيئات المتجمعة بإحكام بواسطة مادة لاصقة. وعلى الرغم من تآكل السطح بفعل الإلكتروليت، إلا أن عدد قنوات المسام المتكونة يكون أقل. بعد التآكل، يصبح سطح الطلاء كثيفًا ويحتوي على عدد قليل من العيوب. أما بالنسبة للشكل 6 (A1 وA2)، فبسبب خصائص mwnt-cooh-sdbs، فإن الطلاء قبل التآكل يتميز ببنية مسامية موزعة بانتظام. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتزداد عمق القناة. بالمقارنة مع الشكل 6 (B2 وC2)، تحتوي البنية على عيوب أكثر، وهو ما يتوافق مع توزيع حجم قيمة مقاومة الطلاء التي تم الحصول عليها من اختبار التآكل الكهروكيميائي. يُظهر ذلك أن طلاء السيراميك الألومينا المحتوي على الجرافين، وخاصةً مزيج الجرافين وأنابيب الكربون النانوية، يتمتع بأفضل مقاومة للتآكل. ويعود ذلك إلى قدرة بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين على منع انتشار الشقوق وحماية المادة الأساسية بفعالية.

7. المناقشة والملخص
من خلال اختبار مقاومة التآكل لأنابيب الكربون النانوية ومضافات الجرافين على طلاء السيراميك الألومينا وتحليل البنية المجهرية لسطح الطلاء، تم التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

(1) عند مرور 19 ساعة من التآكل، أدى إضافة طلاء سيراميك الألومينا المختلط بنسبة 0.2% من أنابيب الكربون النانوية و0.2% من الجرافين إلى زيادة كثافة تيار التآكل من 2.890 × 10⁻⁶ أمبير/سم² إلى 1.536 × 10⁻⁶ أمبير/سم²، وزيادة المقاومة الكهربائية من 11388 أوم إلى 28079 أوم، وبلغت كفاءة مقاومة التآكل أعلى مستوياتها، حيث وصلت إلى 46.85%. وبالمقارنة مع طلاء سيراميك الألومينا النقي، يتميز الطلاء المركب من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية بمقاومة أفضل للتآكل.

(2) مع ازدياد مدة غمر الإلكتروليت، يتغلغل الإلكتروليت في سطح الوصلة بين الطلاء والركيزة مُكَوِّنًا طبقة من أكسيد المعدن، مما يُعيق تغلغله إلى الركيزة. تنخفض المعاوقة الكهربائية أولًا ثم ترتفع، وتكون مقاومة التآكل لطلاء السيراميك المصنوع من الألومينا النقي ضعيفة. وقد حال تركيب أنابيب الكربون النانوية والجرافين وتآزرهما دون تغلغل الإلكتروليت إلى الأسفل. عند نقع الطلاء المحتوي على مواد نانوية لمدة 19.5 ساعة، انخفضت المعاوقة الكهربائية بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي، وكانت مقاومة التآكل للطلاء جيدة.

(3) نظرًا لخصائص أنابيب الكربون النانوية، يتميز الطلاء المضاف إليها أنابيب الكربون النانوية وحدها ببنية مسامية موزعة بانتظام قبل التآكل. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتزداد عمقًا. أما الطلاء المحتوي على الجرافين، فيتميز ببنية مسطحة قبل التآكل، حيث يكون الترابط بين جزيئاته وثيقًا، وتلتصق الجزيئات المتجمعة بإحكام. على الرغم من تآكل السطح بفعل الإلكتروليت بعد التآكل، إلا أن عدد قنوات المسام قليل، وتبقى البنية كثيفة. تعمل بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين معًا على منع انتشار الشقوق وحماية المادة الأساسية بفعالية.