1. Preparazione del rivestimento
Per facilitare il successivo test elettrochimico, si è scelto come base un acciaio inossidabile 304 da 30 mm × 4 mm. Lucidare e rimuovere lo strato di ossido residuo e le macchie di ruggine sulla superficie del substrato con carta vetrata, immergere il substrato in un becher contenente acetone, trattare le macchie sulla superficie del substrato con il pulitore a ultrasuoni BG-06C della Bangjie Electronics Company per 20 minuti, rimuovere i detriti di usura dalla superficie del substrato metallico con alcol e acqua distillata e asciugare con un soffiatore. Quindi, allumina (Al2O3), grafene e nanotubi di carbonio ibridi (mwnt-coohsdbs) sono stati preparati in proporzioni (100: 0: 0, 99,8: 0,2: 0, 99,8: 0: 0,2, 99,6: 0,2: 0,2) e inseriti in un mulino a sfere (QM-3SP2 della Nanjing NANDA Instrument Factory) per la macinazione a sfere e la miscelazione. La velocità di rotazione del mulino a sfere è stata impostata a 220 giri/min e il mulino a sfere è stato girato a
Dopo la macinazione a sfere, impostare la velocità di rotazione del serbatoio di macinazione a sfere a 1/2 alternativamente al termine della macinazione a sfere, e impostare la velocità di rotazione del serbatoio di macinazione a sfere a 1/2 alternativamente al termine della macinazione a sfere. L'aggregato ceramico macinato a sfere e il legante vengono miscelati uniformemente in base alla frazione di massa di 1,0 ∶ 0,8. Infine, il rivestimento ceramico adesivo è stato ottenuto mediante processo di polimerizzazione.
2. Test di corrosione
In questo studio, il test di corrosione elettrochimica utilizza la stazione di lavoro elettrochimica Shanghai Chenhua chi660e e un sistema di prova a tre elettrodi. L'elettrodo di platino è l'elettrodo ausiliario, l'elettrodo al cloruro d'argento è l'elettrodo di riferimento e il campione rivestito è l'elettrodo di lavoro, con un'area di esposizione effettiva di 1 cm². Collegare l'elettrodo di riferimento, l'elettrodo di lavoro e l'elettrodo ausiliario nella cella elettrolitica con lo strumento, come mostrato nelle Figure 1 e 2. Prima del test, immergere il campione nell'elettrolita, una soluzione di NaCl al 3,5%.
3. Analisi Tafel della corrosione elettrochimica dei rivestimenti
La Figura 3 mostra la curva di Tafel del substrato non rivestito e del rivestimento ceramico rivestito con diversi nanoadditivi dopo corrosione elettrochimica per 19 ore. I dati relativi alla tensione di corrosione, alla densità di corrente di corrosione e all'impedenza elettrica ottenuti dal test di corrosione elettrochimica sono riportati nella Tabella 1.
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Quando la densità di corrente di corrosione è minore e l'efficienza di resistenza alla corrosione è maggiore, l'effetto di resistenza alla corrosione del rivestimento è migliore. Dalla Figura 3 e dalla Tabella 1 si può osservare che quando il tempo di corrosione è di 19 ore, la tensione di corrosione massima della matrice metallica nuda è di -0,680 V e anche la densità di corrente di corrosione della matrice è la maggiore, raggiungendo 2,890 × 10-6 A/cm2. Quando rivestito con rivestimento ceramico di allumina pura, la densità di corrente di corrosione è scesa al 78% e il PE era del 22,01%. Ciò dimostra che il rivestimento ceramico svolge un ruolo protettivo migliore e può migliorare la resistenza alla corrosione del rivestimento in elettrolita neutro.
Aggiungendo al rivestimento lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs o lo 0,2% di grafene, la densità di corrente di corrosione è diminuita, la resistenza è aumentata e la resistenza alla corrosione del rivestimento è stata ulteriormente migliorata, con PE rispettivamente del 38,48% e del 40,10%. Quando la superficie è rivestita con lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs e lo 0,2% di grafene, la corrente di corrosione è ulteriormente ridotta da 2,890 × 10-6 A/cm² a 1,536 × 10-6 A/cm², il valore di resistenza massima è aumentato da 11388 Ω a 28079 Ω e il PE del rivestimento può raggiungere il 46,85%. Ciò dimostra che il prodotto target preparato ha una buona resistenza alla corrosione e che l'effetto sinergico di nanotubi di carbonio e grafene può migliorare efficacemente la resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico.
4. Effetto del tempo di ammollo sull'impedenza del rivestimento
Per esplorare ulteriormente la resistenza alla corrosione del rivestimento, considerando l'influenza del tempo di immersione del campione nell'elettrolita sul test, si ottengono le curve di variazione della resistenza dei quattro rivestimenti a diversi tempi di immersione, come mostrato nella Figura 4.
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Nella fase iniziale dell'immersione (10 ore), a causa della buona densità e struttura del rivestimento, l'elettrolita risulta difficile da immergere nel rivestimento. In questa fase, il rivestimento ceramico mostra un'elevata resistenza. Dopo un periodo di immersione prolungato, la resistenza diminuisce significativamente, poiché con il passare del tempo l'elettrolita forma gradualmente un canale di corrosione attraverso i pori e le crepe del rivestimento e penetra nella matrice, con conseguente significativa riduzione della resistenza del rivestimento.
Nella seconda fase, quando i prodotti di corrosione aumentano fino a una certa quantità, la diffusione viene bloccata e la fessura viene gradualmente ostruita. Allo stesso tempo, quando l'elettrolita penetra nell'interfaccia di legame tra strato inferiore e matrice, le molecole d'acqua reagiranno con l'elemento Fe presente nella matrice, in corrispondenza della giunzione rivestimento/matrice, producendo un sottile film di ossido metallico, che ostacola la penetrazione dell'elettrolita nella matrice e aumenta il valore di resistenza. Quando la matrice metallica nuda viene corrosa elettrochimicamente, la maggior parte della precipitazione flocculante verde si produce sul fondo dell'elettrolita. La soluzione elettrolitica non ha cambiato colore durante l'elettrolisi del campione rivestito, il che può dimostrare l'esistenza della reazione chimica di cui sopra.
A causa del breve tempo di immersione e degli elevati fattori di influenza esterni, al fine di ottenere un'ulteriore accurata relazione di variazione dei parametri elettrochimici, vengono analizzate le curve di Tafel di 19 ore e 19,5 ore. La densità di corrente di corrosione e la resistenza ottenute dal software di analisi zsimpwin sono mostrate nella Tabella 2. Si può osservare che, dopo immersione per 19 ore, rispetto al substrato nudo, la densità di corrente di corrosione dell'allumina pura e del rivestimento composito di allumina contenente materiali nanoadditivi è inferiore e il valore di resistenza è maggiore. Il valore di resistenza del rivestimento ceramico contenente nanotubi di carbonio e del rivestimento contenente grafene è pressoché lo stesso, mentre la struttura del rivestimento con nanotubi di carbonio e materiali compositi di grafene è significativamente migliorata. Questo perché l'effetto sinergico dei nanotubi di carbonio monodimensionali e del grafene bidimensionale migliora la resistenza alla corrosione del materiale.
Con l'aumentare del tempo di immersione (19,5 ore), la resistenza del substrato nudo aumenta, indicando che si trova nella seconda fase di corrosione e che sulla superficie del substrato si forma un film di ossido metallico. Analogamente, con l'aumentare del tempo, aumenta anche la resistenza del rivestimento ceramico di allumina pura, indicando che in questa fase, nonostante l'effetto rallentante del rivestimento ceramico, l'elettrolita ha penetrato l'interfaccia di legame rivestimento/matrice e ha prodotto un film di ossido attraverso una reazione chimica.
Rispetto al rivestimento di allumina contenente lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs, al rivestimento di allumina contenente lo 0,2% di grafene e al rivestimento di allumina contenente lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs e lo 0,2% di grafene, la resistenza del rivestimento è diminuita significativamente con l'aumentare del tempo, rispettivamente del 22,94%, 25,60% e 9,61%, indicando che l'elettrolita non è penetrato nella giunzione tra il rivestimento e il substrato in questo momento. Questo perché la struttura dei nanotubi di carbonio e del grafene blocca la penetrazione verso il basso dell'elettrolita, proteggendo così la matrice. L'effetto sinergico dei due è ulteriormente verificato. Il rivestimento contenente due nanomateriali ha una migliore resistenza alla corrosione.
Attraverso la curva di Tafel e la curva di variazione del valore di impedenza elettrica, si è scoperto che il rivestimento ceramico di allumina con grafene, nanotubi di carbonio e la loro miscela può migliorare la resistenza alla corrosione della matrice metallica e che l'effetto sinergico dei due può ulteriormente migliorare la resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico adesivo. Per esplorare ulteriormente l'effetto dei nanoadditivi sulla resistenza alla corrosione del rivestimento, è stata osservata la morfologia microsuperficiale del rivestimento dopo la corrosione.
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La Figura 5 (A1, A2, B1, B2) mostra la morfologia superficiale dell'acciaio inossidabile 304 esposto e della ceramica di allumina pura rivestita a diversi ingrandimenti dopo la corrosione. La Figura 5 (A2) mostra che la superficie dopo la corrosione diventa ruvida. Per il substrato nudo, diverse grandi cavità di corrosione compaiono sulla superficie dopo l'immersione nell'elettrolita, indicando che la resistenza alla corrosione della matrice metallica nuda è scarsa e l'elettrolita penetra facilmente nella matrice. Per il rivestimento ceramico di allumina pura, come mostrato nella Figura 5 (B2), sebbene si generino canali di corrosione porosi dopo la corrosione, la struttura relativamente densa e l'eccellente resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico di allumina pura bloccano efficacemente l'invasione dell'elettrolita, il che spiega il motivo dell'efficace miglioramento dell'impedenza del rivestimento ceramico di allumina.
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Morfologia superficiale di mwnt-cooh-sdbs, rivestimenti contenenti lo 0,2% di grafene e rivestimenti contenenti lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs e lo 0,2% di grafene. Si può osservare che i due rivestimenti contenenti grafene in Figura 6 (B2 e C2) hanno una struttura piatta, il legame tra le particelle nel rivestimento è stretto e le particelle aggregate sono strettamente avvolte dall'adesivo. Sebbene la superficie sia erosa dall'elettrolita, si formano meno canali porosi. Dopo la corrosione, la superficie del rivestimento è densa e sono presenti poche strutture difettose. Per la Figura 6 (A1, A2), a causa delle caratteristiche di mwnt-cooh-sdbs, il rivestimento prima della corrosione presenta una struttura porosa uniformemente distribuita. Dopo la corrosione, i pori del componente originale diventano stretti e lunghi e il canale diventa più profondo. Rispetto alla Figura 6 (B2, C2), la struttura presenta un numero maggiore di difetti, il che è coerente con la distribuzione dimensionale del valore di impedenza del rivestimento ottenuto dal test di corrosione elettrochimica. Dimostra che il rivestimento ceramico di allumina contenente grafene, in particolare la miscela di grafene e nanotubi di carbonio, ha la migliore resistenza alla corrosione. Questo perché la struttura di nanotubi di carbonio e grafene può bloccare efficacemente la diffusione delle crepe e proteggere la matrice.
5. Discussione e riepilogo
Attraverso il test di resistenza alla corrosione dei nanotubi di carbonio e degli additivi di grafene sul rivestimento ceramico di allumina e l'analisi della microstruttura superficiale del rivestimento, si traggono le seguenti conclusioni:
(1) Quando il tempo di corrosione era di 19 ore, aggiungendo lo 0,2% di nanotubi di carbonio ibrido + lo 0,2% di rivestimento ceramico di allumina con materiale misto di grafene, la densità di corrente di corrosione è aumentata da 2,890 × 10-6 A / cm2 a 1,536 × 10-6 A / cm2, l'impedenza elettrica è aumentata da 11388 Ω a 28079 Ω e l'efficienza di resistenza alla corrosione è la più grande, 46,85%. Rispetto al rivestimento ceramico di allumina pura, il rivestimento composito con grafene e nanotubi di carbonio ha una migliore resistenza alla corrosione.
(2) Con l'aumentare del tempo di immersione dell'elettrolita, quest'ultimo penetra nella superficie di giunzione tra rivestimento e substrato, producendo un film di ossido metallico che ostacola la penetrazione dell'elettrolita nel substrato. L'impedenza elettrica prima diminuisce e poi aumenta, e la resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico di allumina pura è scarsa. La struttura e la sinergia dei nanotubi di carbonio e del grafene hanno bloccato la penetrazione verso il basso dell'elettrolita. Dopo immersione per 19,5 ore, l'impedenza elettrica del rivestimento contenente nanomateriali è diminuita rispettivamente del 22,94%, del 25,60% e del 9,61%, e la resistenza alla corrosione del rivestimento è risultata buona.
6. Meccanismo di influenza della resistenza alla corrosione del rivestimento
Attraverso la curva di Tafel e la curva di variazione del valore di impedenza elettrica, si è scoperto che il rivestimento ceramico di allumina con grafene, nanotubi di carbonio e la loro miscela può migliorare la resistenza alla corrosione della matrice metallica e che l'effetto sinergico dei due può ulteriormente migliorare la resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico adesivo. Per esplorare ulteriormente l'effetto dei nanoadditivi sulla resistenza alla corrosione del rivestimento, è stata osservata la morfologia microsuperficiale del rivestimento dopo la corrosione.
La Figura 5 (A1, A2, B1, B2) mostra la morfologia superficiale dell'acciaio inossidabile 304 esposto e della ceramica di allumina pura rivestita a diversi ingrandimenti dopo la corrosione. La Figura 5 (A2) mostra che la superficie dopo la corrosione diventa ruvida. Per il substrato nudo, diverse grandi cavità di corrosione compaiono sulla superficie dopo l'immersione nell'elettrolita, indicando che la resistenza alla corrosione della matrice metallica nuda è scarsa e l'elettrolita penetra facilmente nella matrice. Per il rivestimento ceramico di allumina pura, come mostrato nella Figura 5 (B2), sebbene si generino canali di corrosione porosi dopo la corrosione, la struttura relativamente densa e l'eccellente resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico di allumina pura bloccano efficacemente l'invasione dell'elettrolita, il che spiega il motivo dell'efficace miglioramento dell'impedenza del rivestimento ceramico di allumina.
Morfologia superficiale di mwnt-cooh-sdbs, rivestimenti contenenti lo 0,2% di grafene e rivestimenti contenenti lo 0,2% di mwnt-cooh-sdbs e lo 0,2% di grafene. Si può osservare che i due rivestimenti contenenti grafene in Figura 6 (B2 e C2) hanno una struttura piatta, il legame tra le particelle nel rivestimento è stretto e le particelle aggregate sono strettamente avvolte dall'adesivo. Sebbene la superficie sia erosa dall'elettrolita, si formano meno canali porosi. Dopo la corrosione, la superficie del rivestimento è densa e sono presenti poche strutture difettose. Per la Figura 6 (A1, A2), a causa delle caratteristiche di mwnt-cooh-sdbs, il rivestimento prima della corrosione presenta una struttura porosa uniformemente distribuita. Dopo la corrosione, i pori del componente originale diventano stretti e lunghi e il canale diventa più profondo. Rispetto alla Figura 6 (B2, C2), la struttura presenta un numero maggiore di difetti, il che è coerente con la distribuzione dimensionale del valore di impedenza del rivestimento ottenuto dal test di corrosione elettrochimica. Dimostra che il rivestimento ceramico di allumina contenente grafene, in particolare la miscela di grafene e nanotubi di carbonio, ha la migliore resistenza alla corrosione. Questo perché la struttura di nanotubi di carbonio e grafene può bloccare efficacemente la diffusione delle crepe e proteggere la matrice.
7. Discussione e riepilogo
Attraverso il test di resistenza alla corrosione dei nanotubi di carbonio e degli additivi di grafene sul rivestimento ceramico di allumina e l'analisi della microstruttura superficiale del rivestimento, si traggono le seguenti conclusioni:
(1) Quando il tempo di corrosione era di 19 ore, aggiungendo lo 0,2% di nanotubi di carbonio ibrido + lo 0,2% di rivestimento ceramico di allumina con materiale misto di grafene, la densità di corrente di corrosione è aumentata da 2,890 × 10-6 A / cm2 a 1,536 × 10-6 A / cm2, l'impedenza elettrica è aumentata da 11388 Ω a 28079 Ω e l'efficienza di resistenza alla corrosione è la più grande, 46,85%. Rispetto al rivestimento ceramico di allumina pura, il rivestimento composito con grafene e nanotubi di carbonio ha una migliore resistenza alla corrosione.
(2) Con l'aumentare del tempo di immersione dell'elettrolita, quest'ultimo penetra nella superficie di giunzione tra rivestimento e substrato, producendo un film di ossido metallico che ostacola la penetrazione dell'elettrolita nel substrato. L'impedenza elettrica prima diminuisce e poi aumenta, e la resistenza alla corrosione del rivestimento ceramico di allumina pura è scarsa. La struttura e la sinergia dei nanotubi di carbonio e del grafene hanno bloccato la penetrazione verso il basso dell'elettrolita. Dopo immersione per 19,5 ore, l'impedenza elettrica del rivestimento contenente nanomateriali è diminuita rispettivamente del 22,94%, del 25,60% e del 9,61%, e la resistenza alla corrosione del rivestimento è risultata buona.
(3) Grazie alle caratteristiche dei nanotubi di carbonio, il rivestimento addizionato con soli nanotubi di carbonio presenta una struttura porosa uniformemente distribuita prima della corrosione. Dopo la corrosione, i pori del componente originale diventano stretti e lunghi e i canali diventano più profondi. Il rivestimento contenente grafene presenta una struttura piatta prima della corrosione, la combinazione tra le particelle nel rivestimento è ravvicinata e le particelle aggregate sono strettamente avvolte dall'adesivo. Sebbene la superficie venga erosa dall'elettrolita dopo la corrosione, i canali dei pori sono pochi e la struttura è ancora densa. La struttura dei nanotubi di carbonio e del grafene può bloccare efficacemente la propagazione delle crepe e proteggere la matrice.
Data di pubblicazione: 09-03-2022