1. Pinnoitteen valmistelu
Myöhemmän sähkökemiallisen testin helpottamiseksi pohjaksi valittiin 30 mm × 4 mm 304 ruostumatonta terästä. Kiillota ja poista alustan pinnalta jäännösoksidikerros ja ruostetahrat hiekkapaperilla, laita ne asetonia sisältävään dekantterilasiin, käsittele alustan pinnan tahrat Bangjie electronics companyn bg-06c-ultraäänipuhdistimella 20 minuutin ajan, poista kulumisjäämät metallialustan pinnalta alkoholilla ja tislatulla vedellä ja kuivaa ne puhaltimella. Sitten alumiinioksidi (Al2O3), grafeeni ja hybridihiilinanoputki (mwnt-coohsdbs) valmistettiin suhteessa (100:0:0, 99,8:0,2:0, 99,8:0:0,2, 99,6:0,2:0,2) ja laitettiin kuulamyllyyn (qm-3sp2 Nanjing NANDA Instrument Factory) kuulajauhatusta ja sekoittamista varten. Kuulamyllyn pyörimisnopeus asetettiin arvoon 220 R/min ja kuulamylly käännettiin asentoon
Jauhatuksen jälkeen kuulamyllysäiliön pyörimisnopeus asetetaan vuorotellen arvoon 1/2 kuulamyllyn valmistuttua ja kuulamyllysäiliön pyörimisnopeus asetetaan vuorotellen arvoon 1/2 kuulamyllyn valmistuttua. Kuulajauhettu keraaminen kiviaines ja sideaine sekoitetaan tasaisesti massaosuuden 1,0 ∶ 0,8 mukaisesti. Lopuksi kovetusprosessilla saatiin aikaan liimakeraaminen pinnoite.
2. Korroosiotesti
Tässä tutkimuksessa sähkökemiallisessa korroosiotestissä käytetään Shanghai Chenhua chi660e -sähkökemiallista työasemaa, ja testissä käytetään kolmen elektrodin testijärjestelmää. Platinaelektrodi on apuelektrodi, hopea-hopeakloridielektrodi on referenssielektrodi ja pinnoitettu näyte on työelektrodi, jonka tehokas valotuspinta-ala on 1 cm2. Yhdistä referenssielektrodi, työelektrodi ja apuelektrodi elektrolyysikennossa laitteeseen kuvien 1 ja 2 mukaisesti. Ennen testiä liota näytettä elektrolyyttiin, joka on 3,5-prosenttista NaCl-liuosta.
3. Pinnoitteiden sähkökemiallisen korroosion Tafel-analyysi
Kuva 3 esittää pinnoittamattoman alustan ja eri nanolisäaineilla pinnoitetun keraamisen pinnoitteen Tafel-käyrää 19 tunnin sähkökemiallisen korroosion jälkeen. Sähkökemiallisesta korroosiotestistä saadut korroosiojännite-, korroosiovirrantiheys- ja sähköimpedanssitestitiedot on esitetty taulukossa 1.
Lähetä
Kun korroosiovirrantiheys on pienempi ja korroosionkestävyyshyötysuhde on korkeampi, pinnoitteen korroosionkestävyysvaikutus on parempi. Kuvasta 3 ja taulukosta 1 voidaan nähdä, että kun korroosioaika on 19 tuntia, paljaan metallimatriisin suurin korroosiojännite on -0,680 V ja matriisin korroosiovirrantiheys on myös suurin, saavuttaen 2,890 × 10-6 A/cm2. Kun pinnoite on tehty puhtaalla alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella, korroosiovirrantiheys laski 78 prosenttiin ja PE oli 22,01 prosenttia. Tämä osoittaa, että keraamisella pinnoitteella on parempi suojaava rooli ja se voi parantaa pinnoitteen korroosionkestävyyttä neutraalissa elektrolyytissä.
Kun pinnoitteeseen lisättiin 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:ää tai 0,2 % grafeenia, korroosiovirrantiheys pieneni, resistanssi kasvoi ja pinnoitteen korroosionkestävyys parani entisestään, jolloin PE-arvot olivat vastaavasti 38,48 % ja 40,10 %. Kun pinta pinnoitettiin 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:llä ja 0,2 % grafeenilla valmistetulla alumiinioksidiseoksella, korroosiovirta pieneni edelleen arvosta 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² arvoon 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², maksimiresistanssin arvo nousi arvosta 11388 Ω arvoon 28079 Ω ja pinnoitteen PE-arvo nousi 46,85 prosenttiin. Tämä osoittaa, että valmistetulla kohdetuotteella on hyvä korroosionkestävyys ja hiilinanoputkien ja grafeenin synergistinen vaikutus voi tehokkaasti parantaa keraamisen pinnoitteen korroosionkestävyyttä.
4. Liotusajan vaikutus pinnoitteen impedanssiin
Pinnoitteen korroosionkestävyyden tutkimiseksi tarkemmin ottaen huomioon näytteen elektrolyyttiin upotusajan vaikutus testiin, saadaan neljän pinnoitteen resistanssin muutoskäyrät eri upotusajoilla, kuten kuvassa 4 on esitetty.
Lähetä
Upotuksen alkuvaiheessa (10 h) elektrolyyttiä on vaikea upottaa pinnoitteeseen pinnoitteen hyvän tiheyden ja rakenteen vuoksi. Tässä vaiheessa keraaminen pinnoite osoittaa suurta vastusta. Jonkin ajan kuluttua liotuksesta vastus laskee merkittävästi, koska ajan kuluessa elektrolyytti muodostaa vähitellen korroosiokanavan pinnoitteen huokosten ja halkeamien läpi ja tunkeutuu matriisiin, mikä johtaa pinnoitteen resistanssin merkittävään heikkenemiseen.
Toisessa vaiheessa, kun korroosiotuotteet lisääntyvät tiettyyn määrään, diffuusio estyy ja rako sulkeutuu vähitellen. Samanaikaisesti, kun elektrolyytti tunkeutuu pohjakerroksen/matriisin sidosrajapintaan, vesimolekyylit reagoivat matriisin Fe-elementin kanssa pinnoitteen/matriisin liitoskohdassa muodostaen ohuen metallioksidikalvon, joka estää elektrolyytin tunkeutumisen matriisiin ja lisää resistanssiarvoa. Kun paljas metallimatriisi korrodoituu sähkökemiallisesti, suurin osa vihreästä flokkulentista saostumasta muodostuu elektrolyytin pohjalle. Elektrolyyttiliuos ei muuttanut väriään päällystetyn näytteen elektrolysoinnin aikana, mikä voi todistaa edellä mainitun kemiallisen reaktion olemassaolon.
Lyhyen liotusajan ja suurten ulkoisten vaikutustekijöiden vuoksi sähkökemiallisten parametrien tarkan muutossuhteen saamiseksi analysoitiin Tafel-käyrät 19 tunnin ja 19,5 tunnin ajalta. Zsimpwin-analyysiohjelmistolla saadut korroosiovirrantiheys ja resistanssi on esitetty taulukossa 2. Voidaan havaita, että 19 tunnin liotuksessa puhtaan alumiinioksidin ja nanolisäaineita sisältävien alumiinioksidikomposiittipinnoitteiden korroosiovirrantiheys on pienempi ja resistanssiarvo suurempi verrattuna paljaaseen substraattiin. Hiilinanoputkia sisältävän keraamisen pinnoitteen ja grafeenia sisältävän pinnoitteen resistanssiarvo on lähes sama, kun taas hiilinanoputkia ja grafeenikomposiittimateriaaleja sisältävän pinnoitteen rakenne paranee merkittävästi. Tämä johtuu siitä, että yksiulotteisten hiilinanoputkien ja kaksiulotteisen grafeenin synergistinen vaikutus parantaa materiaalin korroosionkestävyyttä.
Upotusajan kasvaessa (19,5 h) paljaan substraatin kestävyys kasvaa, mikä osoittaa, että se on korroosion toisessa vaiheessa ja substraatin pinnalle muodostuu metallioksidikalvo. Vastaavasti ajan kasvaessa myös puhtaan alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen kestävyys kasvaa, mikä osoittaa, että tässä vaiheessa, vaikka keraaminen pinnoite hidastaakin, elektrolyytti on tunkeutunut pinnoitteen ja matriisin väliseen sidosrajapintaan ja muodostanut oksidikalvon kemiallisen reaktion kautta.
Verrattuna 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:ää sisältävään alumiinioksidipinnoitteeseen, 0,2 % grafeenia sisältävään alumiinioksidipinnoitteeseen ja 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:ää ja 0,2 % grafeenia sisältävään alumiinioksidipinnoitteeseen pinnoitteen kestävyys heikkeni merkittävästi ajan myötä, vastaavasti 22,94 %, 25,60 % ja 9,61 %. Tämä osoittaa, että elektrolyytti ei tunkeutunut pinnoitteen ja substraatin väliseen liitokseen tässä vaiheessa. Tämä johtuu siitä, että hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne estää elektrolyytin tunkeutumisen alaspäin ja suojaa siten matriisia. Näiden kahden synergistinen vaikutus vahvistuu entisestään. Kahta nanomateriaalia sisältävällä pinnoitteella on parempi korroosionkestävyys.
Tafel-käyrän ja sähköisen impedanssin arvon muutoskäyrän avulla havaitaan, että grafeenin, hiilinanoputkien ja niiden seoksen kanssa tehty alumiinioksidikeraaminen pinnoite voi parantaa metallimatriisin korroosionkestävyyttä, ja näiden kahden synergistinen vaikutus voi edelleen parantaa keraamisen liimapinnoitteen korroosionkestävyyttä. Nano-lisäaineiden vaikutuksen tutkimiseksi pinnoitteen korroosionkestävyyteen tarkasteltiin pinnoitteen mikropinnan morfologiaa korroosion jälkeen.
Lähetä
Kuva 5 (A1, A2, B1, B2) esittää paljaan 304-ruostumattoman teräksen ja pinnoitetun puhtaan alumiinioksidikeraamin pinnan morfologiaa eri suurennoksilla korroosion jälkeen. Kuva 5 (A2) osoittaa, että pinta karhenee korroosion jälkeen. Paljaalle alustalle ilmestyy elektrolyyttiin upottamisen jälkeen useita suuria korroosiouhoja, mikä osoittaa, että paljaan metallimatriisin korroosionkestävyys on heikko ja elektrolyytti tunkeutuu helposti matriisiin. Kuten kuvassa 5 (B2) on esitetty, puhtaassa alumiinioksidikeraamisessa pinnoitteessa, vaikka korroosion jälkeen muodostuu huokoisia korroosiokanavia, puhtaan alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen suhteellisen tiheä rakenne ja erinomainen korroosionkestävyys estävät tehokkaasti elektrolyytin tunkeutumisen, mikä selittää alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen impedanssin tehokkaan paranemisen.
Lähetä
mwnt-cooh-sdbs-pinnoitteiden, 0,2 % grafeenia sisältävien pinnoitteiden ja 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:ää ja 0,2 % grafeenia sisältävien pinnoitteiden pinnan morfologia. Voidaan nähdä, että kuvassa 6 esitetyillä kahdella grafeenia sisältävällä pinnoitteella (B2 ja C2) on litteä rakenne, pinnoitteen hiukkasten välinen sidos on tiivis ja aggregaattihiukkaset ovat tiiviisti kiinnittyneet liimaan. Vaikka elektrolyytti syövyttää pintaa, huokoskanavia muodostuu vähemmän. Korroosion jälkeen pinnoitteen pinta on tiheä ja siinä on vähän virherakenteita. Kuvassa 6 (A1, A2) mwnt-cooh-sdbs-pinnoitteen ominaisuuksien vuoksi pinnoite ennen korroosiota on tasaisesti jakautunut huokoinen rakenne. Korroosion jälkeen alkuperäisen osan huokoset kapenevat ja pitenevät, ja kanavasta tulee syvempi. Verrattuna kuvaan 6 (B2, C2) rakenteessa on enemmän virheitä, mikä on yhdenmukaista sähkökemiallisesta korroosiotestistä saadun pinnoitteen impedanssin kokojakauman kanssa. Tämä osoittaa, että grafeenia sisältävällä alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella, erityisesti grafeenin ja hiilinanoputken seoksella, on paras korroosionkestävyys. Tämä johtuu siitä, että hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne voi tehokkaasti estää halkeamien diffuusion ja suojata matriisia.
5. Keskustelu ja yhteenveto
Hiilinanoputkien ja grafeenilisäaineiden korroosionkestävyystestin avulla alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella ja pinnoitteen pintarakenteen analyysin avulla voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:
(1) Kun korroosioaika oli 19 tuntia, lisättiin 0,2 % hybridihiilinanoputkista ja 0,2 % grafeenista koostuvaa alumiinioksidikeraamipinnoitetta, mikä nosti korroosiovirrantiheyden arvosta 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² arvoon 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², sähköimpedanssi nousi arvosta 11388 Ω arvoon 28079 Ω ja korroosionkestävyys oli suurin, 46,85 %. Grafeenia ja hiilinanoputkia sisältävällä komposiittipinnoitteella on parempi korroosionkestävyys kuin puhtaalla alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella.
(2) Elektrolyytin upotusajan kasvaessa elektrolyytti tunkeutuu pinnoitteen ja alustan liitospintaan muodostaen metallioksidikalvon, joka estää elektrolyytin tunkeutumista alustaan. Sähköinen impedanssi ensin pienenee ja sitten kasvaa, ja puhtaan alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen korroosionkestävyys on heikko. Hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne ja synergia estivät elektrolyytin tunkeutumisen alaspäin. 19,5 tunnin liotuksen jälkeen nanomateriaaleja sisältävän pinnoitteen sähköinen impedanssi laski vastaavasti 22,94 %, 25,60 % ja 9,61 %, ja pinnoitteen korroosionkestävyys oli hyvä.
6. Pinnoitteen korroosionkestävyyden vaikutusmekanismi
Tafel-käyrän ja sähköisen impedanssin arvon muutoskäyrän avulla havaitaan, että grafeenin, hiilinanoputkien ja niiden seoksen kanssa tehty alumiinioksidikeraaminen pinnoite voi parantaa metallimatriisin korroosionkestävyyttä, ja näiden kahden synergistinen vaikutus voi edelleen parantaa keraamisen liimapinnoitteen korroosionkestävyyttä. Nano-lisäaineiden vaikutuksen tutkimiseksi pinnoitteen korroosionkestävyyteen tarkasteltiin pinnoitteen mikropinnan morfologiaa korroosion jälkeen.
Kuva 5 (A1, A2, B1, B2) esittää paljaan 304-ruostumattoman teräksen ja pinnoitetun puhtaan alumiinioksidikeraamin pinnan morfologiaa eri suurennoksilla korroosion jälkeen. Kuva 5 (A2) osoittaa, että pinta karhenee korroosion jälkeen. Paljaalle alustalle ilmestyy elektrolyyttiin upottamisen jälkeen useita suuria korroosiouhoja, mikä osoittaa, että paljaan metallimatriisin korroosionkestävyys on heikko ja elektrolyytti tunkeutuu helposti matriisiin. Kuten kuvassa 5 (B2) on esitetty, puhtaassa alumiinioksidikeraamisessa pinnoitteessa, vaikka korroosion jälkeen muodostuu huokoisia korroosiokanavia, puhtaan alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen suhteellisen tiheä rakenne ja erinomainen korroosionkestävyys estävät tehokkaasti elektrolyytin tunkeutumisen, mikä selittää alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen impedanssin tehokkaan paranemisen.
mwnt-cooh-sdbs-pinnoitteiden, 0,2 % grafeenia sisältävien pinnoitteiden ja 0,2 % mwnt-cooh-sdbs:ää ja 0,2 % grafeenia sisältävien pinnoitteiden pinnan morfologia. Voidaan nähdä, että kuvassa 6 esitetyillä kahdella grafeenia sisältävällä pinnoitteella (B2 ja C2) on litteä rakenne, pinnoitteen hiukkasten välinen sidos on tiivis ja aggregaattihiukkaset ovat tiiviisti kiinnittyneet liimaan. Vaikka elektrolyytti syövyttää pintaa, huokoskanavia muodostuu vähemmän. Korroosion jälkeen pinnoitteen pinta on tiheä ja siinä on vähän virherakenteita. Kuvassa 6 (A1, A2) mwnt-cooh-sdbs-pinnoitteen ominaisuuksien vuoksi pinnoite ennen korroosiota on tasaisesti jakautunut huokoinen rakenne. Korroosion jälkeen alkuperäisen osan huokoset kapenevat ja pitenevät, ja kanavasta tulee syvempi. Verrattuna kuvaan 6 (B2, C2) rakenteessa on enemmän virheitä, mikä on yhdenmukaista sähkökemiallisesta korroosiotestistä saadun pinnoitteen impedanssin kokojakauman kanssa. Tämä osoittaa, että grafeenia sisältävällä alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella, erityisesti grafeenin ja hiilinanoputken seoksella, on paras korroosionkestävyys. Tämä johtuu siitä, että hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne voi tehokkaasti estää halkeamien diffuusion ja suojata matriisia.
7. Keskustelu ja yhteenveto
Hiilinanoputkien ja grafeenilisäaineiden korroosionkestävyystestin avulla alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella ja pinnoitteen pintarakenteen analyysin avulla voidaan tehdä seuraavat johtopäätökset:
(1) Kun korroosioaika oli 19 tuntia, lisättiin 0,2 % hybridihiilinanoputkista ja 0,2 % grafeenista koostuvaa alumiinioksidikeraamipinnoitetta, mikä nosti korroosiovirrantiheyden arvosta 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² arvoon 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², sähköimpedanssi nousi arvosta 11388 Ω arvoon 28079 Ω ja korroosionkestävyys oli suurin, 46,85 %. Grafeenia ja hiilinanoputkia sisältävällä komposiittipinnoitteella on parempi korroosionkestävyys kuin puhtaalla alumiinioksidikeraamisella pinnoitteella.
(2) Elektrolyytin upotusajan kasvaessa elektrolyytti tunkeutuu pinnoitteen ja alustan liitospintaan muodostaen metallioksidikalvon, joka estää elektrolyytin tunkeutumista alustaan. Sähköinen impedanssi ensin pienenee ja sitten kasvaa, ja puhtaan alumiinioksidikeraamisen pinnoitteen korroosionkestävyys on heikko. Hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne ja synergia estivät elektrolyytin tunkeutumisen alaspäin. 19,5 tunnin liotuksen jälkeen nanomateriaaleja sisältävän pinnoitteen sähköinen impedanssi laski vastaavasti 22,94 %, 25,60 % ja 9,61 %, ja pinnoitteen korroosionkestävyys oli hyvä.
(3) Hiilinanoputkien ominaisuuksien vuoksi pelkillä hiilinanoputkilla lisätyllä pinnoitteella on ennen korroosiota tasaisesti jakautunut huokoinen rakenne. Korroosion jälkeen alkuperäisen osan huokoset kapenevat ja pitenevät, ja kanavat syvenevät. Grafeenia sisältävällä pinnoitteella on ennen korroosiota litteä rakenne, pinnoitteen hiukkasten välinen yhtymäkohta on tiivis ja aggregaattihiukkaset ovat tiiviisti kiinnittyneet liimaan. Vaikka elektrolyytti syövyttää pintaa korroosion jälkeen, huokoskanavia on vähän ja rakenne on edelleen tiheä. Hiilinanoputkien ja grafeenin rakenne voi tehokkaasti estää halkeamien etenemisen ja suojata matriisia.
Julkaisun aika: 09.03.2022