مطالعه مقاومت به خوردگی پوشش سرامیکی آلومینای تقویت‌شده با گرافن/نانولوله کربنی

۱. آماده‌سازی پوشش
برای تسهیل آزمایش الکتروشیمیایی بعدی، فولاد ضد زنگ 304 با ابعاد 30 میلی‌متر × 4 میلی‌متر به عنوان پایه انتخاب شد. لایه اکسید باقیمانده و لکه‌های زنگ را روی سطح زیرلایه با کاغذ سنباده صیقل داده و پاک کنید، آنها را در یک بشر حاوی استون قرار دهید، لکه‌های روی سطح زیرلایه را به مدت 20 دقیقه با پاک‌کننده اولتراسونیک bg-06c شرکت الکترونیک بانجی تمیز کنید، بقایای سایش روی سطح زیرلایه فلزی را با الکل و آب مقطر پاک کنید و آنها را با دمنده خشک کنید. سپس، آلومینا (Al2O3)، گرافن و نانولوله کربنی هیبریدی (mwnt-coohsdbs) به نسبت‌های (100: 0: 0، 99.8: 0.2: 0، 99.8: 0: 0.2، 99.6: 0.2: 0.2) تهیه شدند و برای آسیاب گلوله‌ای و مخلوط کردن در یک آسیاب گلوله‌ای (qm-3sp2 کارخانه ابزار نانجینگ ناندا) قرار گرفتند. سرعت چرخش آسیاب گلوله‌ای روی ۲۲۰ دور در دقیقه تنظیم شد و آسیاب گلوله‌ای به ... چرخانده شد.

پس از آسیاب گلوله‌ای، سرعت چرخش مخزن آسیاب گلوله‌ای را به طور متناوب پس از اتمام آسیاب گلوله‌ای روی ۱/۲ تنظیم کنید و سرعت چرخش مخزن آسیاب گلوله‌ای را نیز به طور متناوب پس از اتمام آسیاب گلوله‌ای روی ۱/۲ تنظیم کنید. سنگدانه سرامیکی آسیاب شده با آسیاب گلوله‌ای و چسب به طور یکنواخت با نسبت جرمی ۱.۰ ∶ ۰.۸ مخلوط می‌شوند. در نهایت، پوشش سرامیکی چسبنده با فرآیند پخت به دست می‌آید.

۲. آزمایش خوردگی
در این مطالعه، آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی از ایستگاه کاری الکتروشیمیایی Shanghai Chenhua chi660e استفاده می‌کند و آزمایش از یک سیستم آزمایش سه الکترودی بهره می‌برد. الکترود پلاتینیوم به عنوان الکترود کمکی، الکترود کلرید نقره به عنوان الکترود مرجع و نمونه پوشش داده شده به عنوان الکترود کار با سطح تماس موثر 1 سانتی‌متر مربع است. الکترود مرجع، الکترود کار و الکترود کمکی را در سلول الکترولیتی دستگاه، همانطور که در شکل‌های 1 و 2 نشان داده شده است، متصل کنید. قبل از آزمایش، نمونه را در الکترولیت که محلول 3.5٪ NaCl است، خیس کنید.

۳. آنالیز تافل خوردگی الکتروشیمیایی پوشش‌ها
شکل 3 منحنی تافل زیرلایه بدون پوشش و پوشش سرامیکی پوشش داده شده با نانو افزودنی‌های مختلف را پس از خوردگی الکتروشیمیایی به مدت 19 ساعت نشان می‌دهد. داده‌های ولتاژ خوردگی، چگالی جریان خوردگی و آزمایش امپدانس الکتریکی به‌دست‌آمده از آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی در جدول 1 نشان داده شده است.

ارسال
وقتی چگالی جریان خوردگی کمتر و راندمان مقاومت در برابر خوردگی بالاتر باشد، اثر مقاومت در برابر خوردگی پوشش بهتر است. از شکل 3 و جدول 1 می‌توان دریافت که وقتی زمان خوردگی 19 ساعت است، حداکثر ولتاژ خوردگی ماتریس فلز لخت -0.680 ولت است و چگالی جریان خوردگی ماتریس نیز بزرگترین است و به 2.890 × 10-6 A/cm2 می‌رسد. هنگامی که با پوشش سرامیکی آلومینای خالص پوشش داده می‌شود، چگالی جریان خوردگی به 78٪ و PE به 22.01٪ کاهش می‌یابد. این نشان می‌دهد که پوشش سرامیکی نقش محافظتی بهتری ایفا می‌کند و می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی پوشش را در الکترولیت خنثی بهبود بخشد.

وقتی 0.2% mwnt-cooh-sdbs یا 0.2% گرافن به پوشش اضافه شد، چگالی جریان خوردگی کاهش، مقاومت افزایش و مقاومت خوردگی پوشش بیشتر بهبود یافت، به ترتیب با PE به 38.48% و 40.10%. هنگامی که سطح با پوشش آلومینای مخلوط 0.2% mwnt-cooh-sdbs و 0.2% گرافن پوشش داده شد، جریان خوردگی از 2.890 × 10-6 A/cm2 به 1.536 × 10-6 A/cm2 کاهش یافت، حداکثر مقدار مقاومت از 11388 Ω به 28079 Ω افزایش یافت و PE پوشش می‌تواند به 46.85% برسد. این نشان می‌دهد که محصول هدف آماده شده مقاومت خوبی در برابر خوردگی دارد و اثر هم‌افزایی نانولوله‌های کربنی و گرافن می‌تواند به طور موثری مقاومت در برابر خوردگی پوشش سرامیکی را بهبود بخشد.

۴. تأثیر زمان خیساندن بر امپدانس پوشش
به منظور بررسی بیشتر مقاومت به خوردگی پوشش، با در نظر گرفتن تأثیر زمان غوطه‌وری نمونه در الکترولیت بر آزمایش، منحنی‌های تغییر مقاومت چهار پوشش در زمان‌های غوطه‌وری مختلف، مطابق شکل ۴، به دست آمده است.

ارسال
در مرحله اولیه غوطه‌وری (10 ساعت)، به دلیل چگالی و ساختار خوب پوشش، الکترولیت به سختی در پوشش فرو می‌رود. در این زمان، پوشش سرامیکی مقاومت بالایی از خود نشان می‌دهد. پس از مدتی غوطه‌وری، مقاومت به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد، زیرا با گذشت زمان، الکترولیت به تدریج یک کانال خوردگی از طریق منافذ و ترک‌های پوشش تشکیل می‌دهد و به ماتریس نفوذ می‌کند و در نتیجه مقاومت پوشش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.

در مرحله دوم، هنگامی که محصولات خوردگی به مقدار مشخصی افزایش می‌یابند، انتشار مسدود شده و شکاف به تدریج مسدود می‌شود. همزمان، هنگامی که الکترولیت به سطح مشترک پیوند لایه پایینی/ماتریس نفوذ می‌کند، مولکول‌های آب با عنصر آهن موجود در ماتریس در محل اتصال پوشش/ماتریس واکنش داده و یک لایه نازک اکسید فلزی تولید می‌کنند که مانع نفوذ الکترولیت به ماتریس شده و مقدار مقاومت را افزایش می‌دهد. هنگامی که ماتریس فلز لخت به صورت الکتروشیمیایی خورده می‌شود، بیشتر رسوب لخته‌ای سبز در پایین الکترولیت تولید می‌شود. محلول الکترولیتی هنگام الکترولیز نمونه پوشش داده شده تغییر رنگ نداد، که می‌تواند وجود واکنش شیمیایی فوق را اثبات کند.

با توجه به زمان خیساندن کوتاه و عوامل تأثیرگذار خارجی زیاد، برای به دست آوردن رابطه دقیق تغییر پارامترهای الکتروشیمیایی، منحنی‌های تافل 19 ساعت و 19.5 ساعت تجزیه و تحلیل شده‌اند. چگالی جریان خوردگی و مقاومت به‌دست‌آمده توسط نرم‌افزار آنالیز zsimpwin در جدول 2 نشان داده شده است. می‌توان دریافت که هنگام خیساندن به مدت 19 ساعت، در مقایسه با زیرلایه خالی، چگالی جریان خوردگی پوشش کامپوزیتی آلومینای خالص و آلومینای حاوی مواد افزودنی نانو کمتر و مقدار مقاومت بیشتر است. مقدار مقاومت پوشش سرامیکی حاوی نانولوله‌های کربنی و پوشش حاوی گرافن تقریباً یکسان است، در حالی که ساختار پوشش با نانولوله‌های کربنی و مواد کامپوزیتی گرافن به طور قابل توجهی افزایش یافته است، زیرا اثر هم‌افزایی نانولوله‌های کربنی یک بعدی و گرافن دو بعدی مقاومت خوردگی ماده را بهبود می‌بخشد.

با افزایش زمان غوطه‌وری (19.5 ساعت)، مقاومت زیرلایه لخت افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد در مرحله دوم خوردگی قرار دارد و لایه اکسید فلزی روی سطح زیرلایه تشکیل می‌شود. به طور مشابه، با افزایش زمان، مقاومت پوشش سرامیکی آلومینای خالص نیز افزایش می‌یابد که نشان می‌دهد در این زمان، اگرچه اثر کندکنندگی پوشش سرامیکی وجود دارد، الکترولیت به فصل مشترک اتصال پوشش/ماتریس نفوذ کرده و از طریق واکنش شیمیایی لایه اکسیدی تولید کرده است.
در مقایسه با پوشش آلومینای حاوی 0.2% mwnt-cooh-sdbs، پوشش آلومینای حاوی 0.2% گرافن و پوشش آلومینای حاوی 0.2% mwnt-cooh-sdbs و 0.2% گرافن، مقاومت پوشش با افزایش زمان به طور قابل توجهی کاهش یافت و به ترتیب 22.94%، 25.60% و 9.61% کاهش یافت که نشان می‌دهد الکترولیت در این زمان به محل اتصال بین پوشش و زیرلایه نفوذ نکرده است. این به این دلیل است که ساختار نانولوله‌های کربنی و گرافن مانع از نفوذ رو به پایین الکترولیت می‌شود و در نتیجه از ماتریس محافظت می‌کند. اثر هم‌افزایی این دو بیشتر تأیید می‌شود. پوشش حاوی دو نانوماده مقاومت در برابر خوردگی بهتری دارد.

از طریق منحنی تافل و منحنی تغییر مقدار امپدانس الکتریکی، مشخص شد که پوشش سرامیکی آلومینا با گرافن، نانولوله‌های کربنی و مخلوط آنها می‌تواند مقاومت به خوردگی ماتریس فلزی را بهبود بخشد و اثر هم‌افزایی این دو می‌تواند مقاومت به خوردگی پوشش سرامیکی چسبنده را بیشتر بهبود بخشد. به منظور بررسی بیشتر تأثیر افزودنی‌های نانو بر مقاومت به خوردگی پوشش، مورفولوژی سطح میکرو پوشش پس از خوردگی مشاهده شد.

ارسال

شکل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوژی سطح فولاد ضد زنگ 304 در معرض دید و سرامیک آلومینای خالص پوشش داده شده را در بزرگنمایی‌های مختلف پس از خوردگی نشان می‌دهد. شکل 5 (A2) نشان می‌دهد که سطح پس از خوردگی ناهموار می‌شود. برای زیرلایه لخت، چندین حفره خوردگی بزرگ پس از غوطه‌وری در الکترولیت روی سطح ظاهر می‌شوند که نشان می‌دهد مقاومت خوردگی ماتریس فلز لخت ضعیف است و الکترولیت به راحتی به ماتریس نفوذ می‌کند. برای پوشش سرامیکی آلومینای خالص، همانطور که در شکل 5 (B2) نشان داده شده است، اگرچه کانال‌های خوردگی متخلخل پس از خوردگی ایجاد می‌شوند، ساختار نسبتاً متراکم و مقاومت عالی در برابر خوردگی پوشش سرامیکی آلومینای خالص به طور مؤثری مانع از نفوذ الکترولیت می‌شود که دلیل بهبود مؤثر امپدانس پوشش سرامیکی آلومینا را توضیح می‌دهد.

ارسال

مورفولوژی سطح mwnt-cooh-sdbs، پوشش‌های حاوی 0.2٪ گرافن و پوشش‌های حاوی 0.2٪ mwnt-cooh-sdbs و 0.2٪ گرافن. مشاهده می‌شود که دو پوشش حاوی گرافن در شکل 6 (B2 و C2) ساختار مسطحی دارند، اتصال بین ذرات در پوشش محکم است و ذرات متراکم توسط چسب محکم پیچیده شده‌اند. اگرچه سطح توسط الکترولیت فرسایش می‌یابد، اما کانال‌های منافذ کمتری تشکیل می‌شود. پس از خوردگی، سطح پوشش متراکم است و ساختارهای نقص کمی وجود دارد. برای شکل 6 (A1، A2)، به دلیل ویژگی‌های mwnt-cooh-sdbs، پوشش قبل از خوردگی یک ساختار متخلخل با توزیع یکنواخت است. پس از خوردگی، منافذ قطعه اصلی باریک و بلند می‌شوند و کانال عمیق‌تر می‌شود. در مقایسه با شکل 6 (B2، C2)، ساختار دارای نقص‌های بیشتری است که با توزیع اندازه مقدار امپدانس پوشش به‌دست‌آمده از آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی سازگار است. این نشان می‌دهد که پوشش سرامیکی آلومینا حاوی گرافن، به ویژه مخلوط گرافن و نانولوله کربنی، بهترین مقاومت در برابر خوردگی را دارد. دلیل این امر این است که ساختار نانولوله کربنی و گرافن می‌تواند به طور موثری مانع از انتشار ترک شده و از ماتریس محافظت کند.

۵. بحث و خلاصه
از طریق آزمایش مقاومت به خوردگی نانولوله‌های کربنی و افزودنی‌های گرافن روی پوشش سرامیکی آلومینا و تجزیه و تحلیل ریزساختار سطح پوشش، نتایج زیر حاصل می‌شود:

(1) هنگامی که زمان خوردگی 19 ساعت بود، با افزودن 0.2٪ نانولوله کربنی هیبریدی + 0.2٪ گرافن مخلوط با پوشش سرامیکی آلومینا، چگالی جریان خوردگی از 2.890 × 10-6 A/cm2 به 1.536 × 10-6 A/cm2 افزایش یافت، امپدانس الکتریکی از 11388 Ω به 28079 Ω افزایش یافت و راندمان مقاومت در برابر خوردگی بزرگترین مقدار، 46.85٪ بود. در مقایسه با پوشش سرامیکی آلومینای خالص، پوشش کامپوزیتی با گرافن و نانولوله‌های کربنی مقاومت در برابر خوردگی بهتری دارد.

(2) با افزایش زمان غوطه‌وری الکترولیت، الکترولیت به سطح مشترک پوشش/زیرلایه نفوذ می‌کند و لایه‌ای از اکسید فلزی تشکیل می‌دهد که مانع نفوذ الکترولیت به زیرلایه می‌شود. امپدانس الکتریکی ابتدا کاهش و سپس افزایش می‌یابد و مقاومت به خوردگی پوشش سرامیکی آلومینای خالص ضعیف است. ساختار و هم‌افزایی نانولوله‌های کربنی و گرافن مانع نفوذ رو به پایین الکترولیت می‌شود. هنگامی که به مدت 19.5 ساعت خیسانده شدند، امپدانس الکتریکی پوشش حاوی نانومواد به ترتیب 22.94٪، 25.60٪ و 9.61٪ کاهش یافت و مقاومت به خوردگی پوشش خوب بود.

۶. مکانیسم تأثیر مقاومت در برابر خوردگی پوشش
از طریق منحنی تافل و منحنی تغییر مقدار امپدانس الکتریکی، مشخص شد که پوشش سرامیکی آلومینا با گرافن، نانولوله‌های کربنی و مخلوط آنها می‌تواند مقاومت به خوردگی ماتریس فلزی را بهبود بخشد و اثر هم‌افزایی این دو می‌تواند مقاومت به خوردگی پوشش سرامیکی چسبنده را بیشتر بهبود بخشد. به منظور بررسی بیشتر تأثیر افزودنی‌های نانو بر مقاومت به خوردگی پوشش، مورفولوژی سطح میکرو پوشش پس از خوردگی مشاهده شد.

شکل 5 (A1، A2، B1، B2) مورفولوژی سطح فولاد ضد زنگ 304 در معرض دید و سرامیک آلومینای خالص پوشش داده شده را در بزرگنمایی‌های مختلف پس از خوردگی نشان می‌دهد. شکل 5 (A2) نشان می‌دهد که سطح پس از خوردگی ناهموار می‌شود. برای زیرلایه لخت، چندین حفره خوردگی بزرگ پس از غوطه‌وری در الکترولیت روی سطح ظاهر می‌شوند که نشان می‌دهد مقاومت خوردگی ماتریس فلز لخت ضعیف است و الکترولیت به راحتی به ماتریس نفوذ می‌کند. برای پوشش سرامیکی آلومینای خالص، همانطور که در شکل 5 (B2) نشان داده شده است، اگرچه کانال‌های خوردگی متخلخل پس از خوردگی ایجاد می‌شوند، ساختار نسبتاً متراکم و مقاومت عالی در برابر خوردگی پوشش سرامیکی آلومینای خالص به طور مؤثری مانع از نفوذ الکترولیت می‌شود که دلیل بهبود مؤثر امپدانس پوشش سرامیکی آلومینا را توضیح می‌دهد.

مورفولوژی سطح mwnt-cooh-sdbs، پوشش‌های حاوی 0.2٪ گرافن و پوشش‌های حاوی 0.2٪ mwnt-cooh-sdbs و 0.2٪ گرافن. مشاهده می‌شود که دو پوشش حاوی گرافن در شکل 6 (B2 و C2) ساختار مسطحی دارند، اتصال بین ذرات در پوشش محکم است و ذرات متراکم توسط چسب محکم پیچیده شده‌اند. اگرچه سطح توسط الکترولیت فرسایش می‌یابد، اما کانال‌های منافذ کمتری تشکیل می‌شود. پس از خوردگی، سطح پوشش متراکم است و ساختارهای نقص کمی وجود دارد. برای شکل 6 (A1، A2)، به دلیل ویژگی‌های mwnt-cooh-sdbs، پوشش قبل از خوردگی یک ساختار متخلخل با توزیع یکنواخت است. پس از خوردگی، منافذ قطعه اصلی باریک و بلند می‌شوند و کانال عمیق‌تر می‌شود. در مقایسه با شکل 6 (B2، C2)، ساختار دارای نقص‌های بیشتری است که با توزیع اندازه مقدار امپدانس پوشش به‌دست‌آمده از آزمایش خوردگی الکتروشیمیایی سازگار است. این نشان می‌دهد که پوشش سرامیکی آلومینا حاوی گرافن، به ویژه مخلوط گرافن و نانولوله کربنی، بهترین مقاومت در برابر خوردگی را دارد. دلیل این امر این است که ساختار نانولوله کربنی و گرافن می‌تواند به طور موثری مانع از انتشار ترک شده و از ماتریس محافظت کند.

۷. بحث و خلاصه
از طریق آزمایش مقاومت به خوردگی نانولوله‌های کربنی و افزودنی‌های گرافن روی پوشش سرامیکی آلومینا و تجزیه و تحلیل ریزساختار سطح پوشش، نتایج زیر حاصل می‌شود:

(1) هنگامی که زمان خوردگی 19 ساعت بود، با افزودن 0.2٪ نانولوله کربنی هیبریدی + 0.2٪ گرافن مخلوط با پوشش سرامیکی آلومینا، چگالی جریان خوردگی از 2.890 × 10-6 A/cm2 به 1.536 × 10-6 A/cm2 افزایش یافت، امپدانس الکتریکی از 11388 Ω به 28079 Ω افزایش یافت و راندمان مقاومت در برابر خوردگی بزرگترین مقدار، 46.85٪ بود. در مقایسه با پوشش سرامیکی آلومینای خالص، پوشش کامپوزیتی با گرافن و نانولوله‌های کربنی مقاومت در برابر خوردگی بهتری دارد.

(2) با افزایش زمان غوطه‌وری الکترولیت، الکترولیت به سطح مشترک پوشش/زیرلایه نفوذ می‌کند و لایه‌ای از اکسید فلزی تشکیل می‌دهد که مانع نفوذ الکترولیت به زیرلایه می‌شود. امپدانس الکتریکی ابتدا کاهش و سپس افزایش می‌یابد و مقاومت به خوردگی پوشش سرامیکی آلومینای خالص ضعیف است. ساختار و هم‌افزایی نانولوله‌های کربنی و گرافن مانع نفوذ رو به پایین الکترولیت می‌شود. هنگامی که به مدت 19.5 ساعت خیسانده شدند، امپدانس الکتریکی پوشش حاوی نانومواد به ترتیب 22.94٪، 25.60٪ و 9.61٪ کاهش یافت و مقاومت به خوردگی پوشش خوب بود.

(3) با توجه به ویژگی‌های نانولوله‌های کربنی، پوشش اضافه شده با نانولوله‌های کربنی به تنهایی، قبل از خوردگی دارای ساختار متخلخل با توزیع یکنواخت است. پس از خوردگی، منافذ قطعه اصلی باریک و بلند می‌شوند و کانال‌ها عمیق‌تر می‌شوند. پوشش حاوی گرافن قبل از خوردگی دارای ساختار مسطح است، ترکیب بین ذرات در پوشش نزدیک است و ذرات متراکم توسط چسب محکم پیچیده شده‌اند. اگرچه سطح پس از خوردگی توسط الکترولیت فرسایش می‌یابد، اما کانال‌های منافذ کمی وجود دارد و ساختار هنوز متراکم است. ساختار نانولوله‌های کربنی و گرافن می‌تواند به طور مؤثر مانع از انتشار ترک شده و از ماتریس محافظت کند.