دراسة حول مقاومة التآكل لطلاء السيراميك المقوى بالجرافين / أنابيب الكربون النانوية

1. تحضير الطلاء
لتسهيل الاختبار الكهروكيميائي اللاحق، تم اختيار قاعدة من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 بمقاس 30 مم × 4 مم. ثم صقل السطح باستخدام ورق الصنفرة لإزالة طبقة الأكسيد المتبقية وبقع الصدأ، ثم ضعها في كوب يحتوي على الأسيتون، وعالج البقع باستخدام منظف الموجات فوق الصوتية bg-06c من شركة Bangjie للإلكترونيات لمدة 20 دقيقة. ثم أزل بقايا التآكل من سطح المعدن باستخدام الكحول والماء المقطر، ثم جففها بمنفاخ هواء. بعد ذلك، تم تحضير الألومينا (Al2O3) والجرافين وأنبوب الكربون النانوي الهجين (mwnt-coohsdbs) بنسب (100: 0: 0، 99.8: 0.2: 0، 99.8: 0: 0.2، 99.6: 0.2: 0.2)، ووُضعت في مطحنة كرات (qm-3sp2 من مصنع نانجينغ ناندا للأجهزة) لطحن الكرات وخلطها. حُدِّدت سرعة دوران مطحنة الكرات على 220 دورة/دقيقة، ثم أُديرت إلى

بعد طحن الكرات، اضبط سرعة دوران خزان طحن الكرات على نصف السرعة بالتناوب بعد اكتمال طحن الكرات، ثم اضبطها على نصف السرعة بالتناوب بعد اكتمال طحن الكرات. يُخلط الركام الخزفي المطحون بالكرات مع المادة الرابطة بالتساوي بنسبة كتلة 1.0 ∶ 0.8. وأخيرًا، يتم الحصول على طلاء السيراميك اللاصق من خلال عملية المعالجة.

2. اختبار التآكل
في هذه الدراسة، اعتمد اختبار التآكل الكهروكيميائي على محطة العمل الكهروكيميائية Shanghai Chenhua chi660e، ونظام اختبار ثلاثي الأقطاب. قطب البلاتين هو القطب المساعد، وقطب كلوريد الفضة هو القطب المرجعي، والعينة المطلية هي القطب العامل، بمساحة تعريض فعالة تبلغ 1 سم². صِل القطب المرجعي وقطب العمل والقطب المساعد في الخلية الكهروليتية بالجهاز، كما هو موضح في الشكلين 1 و2. قبل الاختبار، انقع العينة في محلول كلوريد الصوديوم 3.5%.

3. تحليل تافل للتآكل الكهروكيميائي للطلاءات
يوضح الشكل 3 منحنى تافل للركيزة غير المطلية والطلاء الخزفي المطلي بإضافات نانوية مختلفة بعد التآكل الكهروكيميائي لمدة 19 ساعة. وترد في الجدول 1 بيانات اختبار جهد التآكل، وكثافة تيار التآكل، والممانعة الكهربائية الناتجة عن اختبار التآكل الكهروكيميائي.

يُقدِّم
كلما انخفضت كثافة تيار التآكل وارتفعت كفاءة مقاومة التآكل، كان تأثير مقاومة التآكل للطلاء أفضل. يتضح من الشكل 3 والجدول 1 أنه عند زمن التآكل 19 ساعة، يكون أقصى جهد تآكل لمصفوفة المعدن المكشوف -0.680 فولت، وتكون كثافة تيار التآكل للمصفوفة هي الأعلى أيضًا، حيث تصل إلى 2.890 × 10-6 أمبير/سم². عند الطلاء بطبقة سيراميك الألومينا النقية، انخفضت كثافة تيار التآكل إلى 78%، وبلغت نسبة البولي إيثيلين (PE) 22.01%. وهذا يُظهر أن الطلاء السيراميكي يلعب دورًا وقائيًا أفضل، ويمكنه تحسين مقاومة التآكل للطلاء في الإلكتروليت المحايد.

عند إضافة 0.2% من mwnt-cooh-sdbs أو 0.2% من الجرافين إلى الطلاء، انخفضت كثافة تيار التآكل، وازدادت المقاومة، وتحسنت مقاومة الطلاء للتآكل بشكل أكبر، حيث بلغت نسبة PE 38.48% و40.10% على التوالي. عند طلاء السطح بطبقة من خليط الألومينا من 0.2% من mwnt-cooh-sdbs و0.2% من الجرافين، 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 نسبة PE للطلاء إلى 46.85%. يُظهر هذا أن المنتج المستهدف المُجهز يتمتع بمقاومة جيدة للتآكل، وأن التأثير التآزري لأنابيب الكربون النانوية والجرافين يُحسّن مقاومة الطلاء الخزفي للتآكل بشكل فعال.

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

يُقدِّم
في المرحلة الأولى من الغمر (10 ساعات)، وبسبب الكثافة والبنية الجيدة للطلاء، يصعب غمر الإلكتروليت فيه. في هذه المرحلة، يُظهر الطلاء الخزفي مقاومة عالية. بعد فترة من النقع، تنخفض المقاومة بشكل ملحوظ، إذ يُشكل الإلكتروليت تدريجيًا قناة تآكل عبر المسام والشقوق في الطلاء، ويخترق المصفوفة، مما يُؤدي إلى انخفاض كبير في مقاومة الطلاء.

في المرحلة الثانية، عندما تزيد نواتج التآكل إلى حد معين، يُمنع الانتشار وتُسد الفجوة تدريجيًا. في الوقت نفسه، عندما يخترق الإلكتروليت واجهة الرابطة للطبقة/المصفوفة السفلية الرابطة، تتفاعل جزيئات الماء مع عنصر الحديد في المصفوفة عند تقاطع الطلاء/المصفوفة لتكوين طبقة رقيقة من أكسيد المعدن، مما يعيق اختراق الإلكتروليت للمصفوفة ويزيد من قيمة المقاومة. عند تآكل مصفوفة المعدن المكشوف كهروكيميائيًا، ينتج معظم الترسب الأخضر المتكتل في قاع الإلكتروليت. لم يتغير لون المحلول الإلكتروليتي عند التحليل الكهربائي للعينة المطلية، مما يُثبت وجود التفاعل الكيميائي المذكور أعلاه.

نظرًا لقصر وقت النقع وعوامل التأثير الخارجية الكبيرة، ومن أجل الحصول على علاقة تغير دقيقة للمعلمات الكهروكيميائية بشكل أكبر، تم تحليل منحنيات Tafel لمدة 19 ساعة و19.5 ساعة. تظهر كثافة تيار التآكل والمقاومة التي تم الحصول عليها بواسطة برنامج تحليل zsimpwin في الجدول 2. يمكن العثور على أنه عند النقع لمدة 19 ساعة، مقارنةً بالركيزة العارية، تكون كثافة تيار التآكل للألومينا النقية وطلاء الألومينا المركب الذي يحتوي على مواد مضافة نانوية أصغر وقيمة المقاومة أكبر. قيمة مقاومة الطلاء الخزفي الذي يحتوي على أنابيب الكربون النانوية والطلاء الذي يحتوي على الجرافين هي نفسها تقريبًا، في حين أن بنية الطلاء مع أنابيب الكربون النانوية ومواد الجرافين المركبة معززة بشكل كبير، وذلك لأن التأثير التآزري لأنابيب الكربون النانوية أحادية البعد والجرافين ثنائي الأبعاد يحسن مقاومة التآكل للمادة.

مع زيادة زمن الغمر (19.5 ساعة)، تزداد مقاومة الركيزة العارية، مما يشير إلى أنها في المرحلة الثانية من التآكل، حيث تتكون طبقة أكسيد معدني على سطحها. وبالمثل، مع زيادة الزمن، تزداد مقاومة طلاء سيراميك الألومينا النقي، مما يشير إلى أنه في هذه المرحلة، على الرغم من تأثير إبطاء طلاء السيراميك، إلا أن الإلكتروليت قد اخترق سطح الترابط بين الطلاء/المصفوفة، مُنتجًا طبقة أكسيد من خلال تفاعل كيميائي.
بالمقارنة مع طلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من mwnt-cooh-sdbs، وطلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من الجرافين، وطلاء الألومينا المحتوي على 0.2% من mwnt-cooh-sdbs و0.2% من الجرافين، انخفضت مقاومة الطلاء بشكل ملحوظ مع مرور الوقت، بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي، مما يشير إلى أن الإلكتروليت لم يخترق المفصل بين الطلاء والركيزة في هذا الوقت. ويرجع ذلك إلى أن بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين تمنع اختراق الإلكتروليت للأسفل، مما يحمي المصفوفة. وقد تم التحقق من التأثير التآزري لكليهما. يتميز الطلاء الذي يحتوي على مادتين نانويتين بمقاومة أفضل للتآكل.

من خلال منحنى تافل ومنحنى تغير قيمة المعاوقة الكهربائية، وُجد أن طلاء سيراميك الألومينا مع الجرافين وأنابيب الكربون النانوية وخليطهما يُحسّن مقاومة التآكل لمصفوفة المعدن، كما أن التأثير التآزري بينهما يُحسّن مقاومة التآكل لطلاء السيراميك اللاصق. ولمواصلة استكشاف تأثير الإضافات النانوية على مقاومة التآكل للطلاء، رُصدت مورفولوجيا السطح المجهري للطلاء بعد التآكل.

يُقدِّم

يوضح الشكل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوجيا سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 304 المكشوف وسيراميك الألومينا النقي المطلي عند تكبيرات مختلفة بعد التآكل. يوضح الشكل 5 (A2) أن السطح بعد التآكل يصبح خشنًا. بالنسبة للركيزة العارية، تظهر عدة حفر تآكل كبيرة على السطح بعد الغمر في الإلكتروليت، مما يشير إلى أن مقاومة التآكل لمصفوفة المعدن العاري ضعيفة وأن الإلكتروليت سهل الاختراق في المصفوفة. بالنسبة لطلاء سيراميك الألومينا النقي، كما هو موضح في الشكل 5 (B2)، على الرغم من أن قنوات التآكل المسامية تتكون بعد التآكل، إلا أن البنية الكثيفة نسبيًا ومقاومة التآكل الممتازة لطلاء سيراميك الألومينا النقي تمنع غزو الإلكتروليت بشكل فعال، مما يفسر سبب التحسن الفعال في معاوقة طلاء سيراميك الألومينا.

يُقدِّم

مورفولوجيا سطح mwnt-cooh-sdbs، طلاءات تحتوي على 0.2% جرافين وطلاءات تحتوي على 0.2% mwnt-cooh-sdbs و0.2% جرافين. يمكن ملاحظة أن الطلاءين المحتويين على الجرافين في الشكل 6 (B2 وC2) لهما بنية مسطحة، والترابط بين الجسيمات في الطلاء محكم، وجسيمات التجميع ملفوفة بإحكام بواسطة مادة لاصقة. على الرغم من تآكل السطح بواسطة الإلكتروليت، إلا أن قنوات المسام تتشكل أقل. بعد التآكل، يكون سطح الطلاء كثيفًا ويوجد عدد قليل من هياكل العيوب. بالنسبة للشكل 6 (A1، A2)، نظرًا لخصائص mwnt-cooh-sdbs، فإن الطلاء قبل التآكل عبارة عن بنية مسامية موزعة بالتساوي. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتصبح القناة أعمق. بالمقارنة مع الشكل 6 (B2، C2)، فإن البنية بها عيوب أكثر، وهو ما يتوافق مع توزيع حجم قيمة معاوقة الطلاء التي تم الحصول عليها من اختبار التآكل الكهروكيميائي. يُظهر هذا أن طلاء سيراميك الألومينا المحتوي على الجرافين، وخاصةً خليط الجرافين وأنابيب الكربون النانوية، يتمتع بأفضل مقاومة للتآكل. ويرجع ذلك إلى أن بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين تمنع انتشار الشقوق بفعالية وتحمي المصفوفة.

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

(1) عند 19 ساعة من زمن التآكل، وبإضافة 0.2% من أنابيب الكربون النانوية الهجينة + 0.2% من مادة الجرافين المختلطة، ازدادت كثافة تيار التآكل من 2.890 × 10-6 أمبير/سم² إلى 1.536 × 10-6 أمبير/سم²، وزادت المعاوقة الكهربائية من 11388 أوم إلى 28079 أوم، وبلغت كفاءة مقاومة التآكل 46.85%. بالمقارنة مع طلاء سيراميك الألومينا النقي، يتميز الطلاء المركب المصنوع من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية بمقاومة تآكل أفضل.

(2) مع زيادة زمن غمر الإلكتروليت، يخترق الإلكتروليت سطح الوصلة بين الطلاء والركيزة مُكوّنًا طبقة أكسيد معدني، مما يعيق اختراق الإلكتروليت للركيزة. تنخفض المعاوقة الكهربائية أولًا ثم تزداد، وتكون مقاومة طلاء سيراميك الألومينا النقي للتآكل ضعيفة. منع تركيب وتآزر أنابيب الكربون النانوية والجرافين اختراق الإلكتروليت للأسفل. عند نقعه لمدة 19.5 ساعة، انخفضت المعاوقة الكهربائية للطلاء المحتوي على مواد نانوية بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي، وكانت مقاومة الطلاء للتآكل جيدة.

6. آلية تأثير مقاومة الطلاء للتآكل
من خلال منحنى تافل ومنحنى تغير قيمة المعاوقة الكهربائية، وُجد أن طلاء سيراميك الألومينا مع الجرافين وأنابيب الكربون النانوية وخليطهما يُحسّن مقاومة التآكل لمصفوفة المعدن، كما أن التأثير التآزري بينهما يُحسّن مقاومة التآكل لطلاء السيراميك اللاصق. ولمواصلة استكشاف تأثير الإضافات النانوية على مقاومة التآكل للطلاء، رُصدت مورفولوجيا السطح المجهري للطلاء بعد التآكل.

يوضح الشكل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوجيا سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 304 المكشوف وسيراميك الألومينا النقي المطلي عند تكبيرات مختلفة بعد التآكل. يوضح الشكل 5 (A2) أن السطح بعد التآكل يصبح خشنًا. بالنسبة للركيزة العارية، تظهر عدة حفر تآكل كبيرة على السطح بعد الغمر في الإلكتروليت، مما يشير إلى أن مقاومة التآكل لمصفوفة المعدن العاري ضعيفة وأن الإلكتروليت سهل الاختراق في المصفوفة. بالنسبة لطلاء سيراميك الألومينا النقي، كما هو موضح في الشكل 5 (B2)، على الرغم من أن قنوات التآكل المسامية تتكون بعد التآكل، إلا أن البنية الكثيفة نسبيًا ومقاومة التآكل الممتازة لطلاء سيراميك الألومينا النقي تمنع غزو الإلكتروليت بشكل فعال، مما يفسر سبب التحسن الفعال في معاوقة طلاء سيراميك الألومينا.

مورفولوجيا سطح mwnt-cooh-sdbs، طلاءات تحتوي على 0.2% جرافين وطلاءات تحتوي على 0.2% mwnt-cooh-sdbs و0.2% جرافين. يمكن ملاحظة أن الطلاءين المحتويين على الجرافين في الشكل 6 (B2 وC2) لهما بنية مسطحة، والترابط بين الجسيمات في الطلاء محكم، وجسيمات التجميع ملفوفة بإحكام بواسطة مادة لاصقة. على الرغم من تآكل السطح بواسطة الإلكتروليت، إلا أن قنوات المسام تتشكل أقل. بعد التآكل، يكون سطح الطلاء كثيفًا ويوجد عدد قليل من هياكل العيوب. بالنسبة للشكل 6 (A1، A2)، نظرًا لخصائص mwnt-cooh-sdbs، فإن الطلاء قبل التآكل عبارة عن بنية مسامية موزعة بالتساوي. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتصبح القناة أعمق. بالمقارنة مع الشكل 6 (B2، C2)، فإن البنية بها عيوب أكثر، وهو ما يتوافق مع توزيع حجم قيمة معاوقة الطلاء التي تم الحصول عليها من اختبار التآكل الكهروكيميائي. يُظهر هذا أن طلاء سيراميك الألومينا المحتوي على الجرافين، وخاصةً خليط الجرافين وأنابيب الكربون النانوية، يتمتع بأفضل مقاومة للتآكل. ويرجع ذلك إلى أن بنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين تمنع انتشار الشقوق بفعالية وتحمي المصفوفة.

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

(1) عند 19 ساعة من زمن التآكل، وبإضافة 0.2% من أنابيب الكربون النانوية الهجينة + 0.2% من مادة الجرافين المختلطة، ازدادت كثافة تيار التآكل من 2.890 × 10-6 أمبير/سم² إلى 1.536 × 10-6 أمبير/سم²، وزادت المعاوقة الكهربائية من 11388 أوم إلى 28079 أوم، وبلغت كفاءة مقاومة التآكل 46.85%. بالمقارنة مع طلاء سيراميك الألومينا النقي، يتميز الطلاء المركب المصنوع من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية بمقاومة تآكل أفضل.

(2) مع زيادة زمن غمر الإلكتروليت، يخترق الإلكتروليت سطح الوصلة بين الطلاء والركيزة مُكوّنًا طبقة أكسيد معدني، مما يعيق اختراق الإلكتروليت للركيزة. تنخفض المعاوقة الكهربائية أولًا ثم تزداد، وتكون مقاومة طلاء سيراميك الألومينا النقي للتآكل ضعيفة. منع تركيب وتآزر أنابيب الكربون النانوية والجرافين اختراق الإلكتروليت للأسفل. عند نقعه لمدة 19.5 ساعة، انخفضت المعاوقة الكهربائية للطلاء المحتوي على مواد نانوية بنسبة 22.94% و25.60% و9.61% على التوالي، وكانت مقاومة الطلاء للتآكل جيدة.

(3) نظرًا لخصائص أنابيب الكربون النانوية، فإن الطلاء المضاف إليها أنابيب الكربون النانوية وحدها يتميز ببنية مسامية موزعة بالتساوي قبل التآكل. بعد التآكل، تصبح مسام الجزء الأصلي ضيقة وطويلة، وتصبح القنوات أعمق. يتميز الطلاء المحتوي على الجرافين ببنية مسطحة قبل التآكل، ويكون اتحاد جزيئات الطلاء متقاربًا، وتكون جزيئات التجميع مغلفة بإحكام بمادة لاصقة. على الرغم من تآكل السطح بفعل الإلكتروليت بعد التآكل، إلا أن قنوات المسام قليلة، ولا يزال الهيكل كثيفًا. يمكن لبنية أنابيب الكربون النانوية والجرافين منع انتشار الشقوق بفعالية وحماية المصفوفة.