1. コーティングの準備
後の電気化学試験を容易にするため、30mm×4mmの304ステンレス鋼をベースとして選択した。サンドペーパーで基板表面の残留酸化層と錆を研磨して除去し、アセトンを入れたビーカーに入れ、Bangjie electronics companyのbg-06c超音波洗浄機で基板表面の汚れを20分間処理し、アルコールと蒸留水で金属基板表面の摩耗粉を除去し、ブロワーで乾燥させた。次に、アルミナ（Al2O3）、グラフェン、ハイブリッドカーボンナノチューブ（mwnt-coohsdbs）を100：0：0、99.8：0.2：0、99.8：0：0.2、99.6：0.2：0.2の割合で調製し、ボールミル（南京NANDA計器工場のqm-3sp2）に入れてボールミル粉砕および混合を行った。ボールミルの回転速度は220 R / minに設定され、ボールミルは
ボールミル処理後、ボールミル槽の回転速度を1/2ずつ交互に設定し、ボールミル処理終了後もボールミル槽の回転速度を1/2ずつ交互に設定する。ボールミル処理されたセラミック骨材とバインダーは、質量分率1.0：0.8で均一に混合される。最後に、硬化処理により接着性セラミックコーティングが得られた。
2. 腐食試験
本研究では、上海晨華chi660e電気化学ワークステーションを使用し、三電極試験システムを採用した電気化学腐食試験を実施しました。白金電極を補助電極、銀塩化銀電極を参照電極、塗布サンプルを作用電極とし、有効露出面積は1cm²です。図1および図2に示すように、電解セル内の参照電極、作用電極、補助電極を装置に接続します。試験前に、サンプルを電解液（3.5% NaCl溶液）に浸します。
3. コーティングの電気化学的腐食のターフェル分析
図3は、コーティングなしの基材と、異なるナノ添加剤を塗布したセラミックコーティングの19時間電気化学的腐食後のターフェル曲線を示しています。電気化学的腐食試験から得られた腐食電圧、腐食電流密度、および電気インピーダンス試験データは表1に示されています。
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腐食電流密度が小さく、耐食効率が高いほど、コーティングの耐食効果は優れています。図3と表1から、腐食時間19hのとき、素地金属マトリックスの最大腐食電圧は-0.680V、マトリックスの腐食電流密度も最大となり、2.890×10-6 A/cm2に達していることがわかります。純アルミナセラミックコーティングを施すと、腐食電流密度は78%に低下し、PEは22.01%でした。これは、セラミックコーティングが優れた保護作用を発揮し、中性電解液中でのコーティングの耐食性を向上させることができることを示しています。
コーティングに0.2％のmwnt-cooh-sdbsまたは0.2％のグラフェンを添加すると、腐食電流密度が低下し、抵抗が増加し、コーティングの耐食性がさらに向上し、PEはそれぞれ38.48％と40.10％になりました。表面に0.2％のmwnt-cooh-sdbsと0.2％のグラフェンを混合したアルミナコーティングを施すと、腐食電流は2.890×10-6 A / cm2から1.536×10-6 A / cm2にさらに減少し、最大抵抗値は11388Ωから28079Ωに増加し、コーティングのPEは46.85％に達することができます。これは、製造された対象製品が優れた耐食性を備えており、カーボンナノチューブとグラフェンの相乗効果により、セラミックコーティングの耐食性を効果的に向上させることができることを示しています。
4. 浸漬時間がコーティングインピーダンスに与える影響
コーティングの耐食性をさらに調査するために、サンプルの電解液への浸漬時間が試験に与える影響を考慮し、図 4 に示すように、異なる浸漬時間における 4 つのコーティングの抵抗の変化曲線を取得しました。
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浸漬初期段階（10時間）では、コーティングの密度と構造が良好なため、電解液がコーティングに浸透しにくくなります。この段階では、セラミックコーティングは高い抵抗を示します。一定時間浸漬した後、抵抗は大幅に低下します。これは、時間の経過とともに電解液が徐々にコーティングの細孔や亀裂を貫通して腐食経路を形成し、マトリックスに浸透することで、コーティングの抵抗が大幅に低下するためです。
第二段階では、腐食生成物が一定量に達すると拡散が阻害され、隙間が徐々に塞がれます。同時に、電解液が接合底層/マトリックスの接合界面に浸透すると、コーティング/マトリックス接合部で水分子がマトリックス中のFe元素と反応して薄い金属酸化物膜が生成され、電解液のマトリックスへの浸透が阻害され、抵抗値が上昇します。むき出しの金属マトリックスが電気化学的に腐食されると、緑色の綿状の沈殿物はほとんどが電解液の底部に生成されます。コーティングされたサンプルを電気分解しても電解液は変色しなかったため、上記の化学反応の存在が証明されます。
浸漬時間が短く、外部影響因子が大きいため、電気化学パラメータの正確な変化関係をさらに得るために、19時間および19.5時間のターフェル曲線を分析しました。zsimpwin解析ソフトウェアで得られた腐食電流密度と抵抗を表2に示します。19時間浸漬した場合、裸の基板と比較して、純粋なアルミナおよびナノ添加剤材料を含むアルミナ複合コーティングの腐食電流密度は小さく、抵抗値が大きいことがわかります。カーボンナノチューブを含むセラミックコーティングとグラフェンを含むコーティングの抵抗値はほぼ同じですが、カーボンナノチューブとグラフェン複合材料によるコーティング構造が大幅に向上しています。これは、1次元カーボンナノチューブと2次元グラフェンの相乗効果により、材料の耐食性が向上するためです。
浸漬時間（19.5時間）が長くなるにつれて、素地の抵抗が増加し、腐食の第2段階に入り、素地表面に金属酸化物膜が形成されたことを示しています。同様に、時間とともに純アルミナセラミックコーティングの抵抗も増加しています。これは、セラミックコーティングによる腐食抑制効果はあるものの、電解液がコーティング／マトリックスの接合界面に浸透し、化学反応によって酸化物膜が形成されたことを示しています。
0.2% mwnt-cooh-sdbsを含むアルミナコーティング、0.2%グラフェンを含むアルミナコーティング、および0.2% mwnt-cooh-sdbsと0.2%グラフェンを含むアルミナコーティングと比較すると、コーティング抵抗は時間の経過とともに大幅に減少し、それぞれ22.94%、25.60%、9.61%減少しました。これは、この時点で電解液がコーティングと基材の接合部に浸透していないことを示しています。これは、カーボンナノチューブとグラフェンの構造が電解液の下方浸透を阻止し、マトリックスを保護しているためです。両者の相乗効果はさらに検証されています。2つのナノ材料を含むコーティングは、より優れた耐食性を備えています。
ターフェル曲線と電気インピーダンス値の変化曲線から、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびそれらの混合物を添加し、アルミナセラミックコーティングを施すことで、金属マトリックスの耐食性を向上させることができ、両者の相乗効果により、接着性セラミックコーティングの耐食性がさらに向上することがわかりました。ナノ添加剤がコーティングの耐食性に及ぼす影響をさらに探るため、腐食後のコーティングの微細表面形態を観察しました。
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図5（A1、A2、B1、B2）は、腐食後の露出した304ステンレス鋼とコーティングされた純アルミナセラミックの表面形態を異なる倍率で示しています。 図5（A2）は、腐食後の表面が粗くなることを示しています。 むき出しの基板の場合、電解液に浸漬した後、表面にいくつかの大きな腐食ピットが現れ、むき出しの金属マトリックスの耐食性が悪く、電解液がマトリックスに浸透しやすいことを示しています。 純アルミナセラミックコーティングの場合、図5（B2）に示すように、腐食後に多孔質の腐食チャネルが生成されますが、純アルミナセラミックコーティングの比較的緻密な構造と優れた耐食性により、電解液の浸入が効果的にブロックされ、これがアルミナセラミックコーティングのインピーダンスの有効な改善の理由を説明しています。
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mwnt-cooh-sdbs、0.2%グラフェンを含むコーティング、および0.2% mwnt-cooh-sdbsと0.2%グラフェンを含むコーティングの表面形態。図6のグラフェンを含む2つのコーティング（B2とC2）は平坦な構造で、コーティング内の粒子間の結合が強く、凝集粒子が接着剤でしっかりと包まれていることがわかります。表面は電解液によって侵食されていますが、細孔チャネルは少なく形成されています。腐食後、コーティング表面は緻密で、欠陥構造はほとんどありません。図6（A1、A2）の場合、mwnt-cooh-sdbsの特性により、腐食前のコーティングは均一に分布した多孔質構造です。腐食後、元の部分の細孔は細く長くなり、チャネルは深くなります。図6（B2、C2）と比較すると、構造に欠陥が多くなり、これは電気化学的腐食試験から得られたコーティングインピーダンス値のサイズ分布と一致しています。グラフェン、特にグラフェンとカーボンナノチューブの混合物を含むアルミナセラミックコーティングは、最も優れた耐食性を示すことがわかります。これは、カーボンナノチューブとグラフェンの構造が、ひび割れの拡散を効果的に遮断し、マトリックスを保護するためです。
5. 議論とまとめ
アルミナセラミックコーティングに対するカーボンナノチューブおよびグラフェン添加剤の耐腐食性試験およびコーティングの表面微細構造の分析を通じて、以下の結論が導き出されました。
（1）腐食時間19時間の場合、0.2％ハイブリッドカーボンナノチューブ＋0.2％グラフェン混合材料アルミナセラミックコーティングを添加すると、腐食電流密度は2.890×10-6 A/cm2から1.536×10-6 A/cm2に増加し、電気インピーダンスは11388Ωから28079Ωに増加し、耐腐食効率は最大の46.85％を示した。純粋なアルミナセラミックコーティングと比較して、グラフェンとカーボンナノチューブを混合した複合コーティングは、より優れた耐腐食性を示した。
（2）電解液の浸漬時間が長くなるにつれて、電解液がコーティング／基材の接合面に浸透して金属酸化物膜を形成し、基材への電解液の浸透を阻害します。電気インピーダンスは一旦低下し、その後上昇するため、純アルミナセラミックコーティングの耐食性は低下します。カーボンナノチューブとグラフェンの構造と相乗効果により、電解液の下方浸透が抑制されます。19.5時間浸漬した場合、ナノ材料を含むコーティングの電気インピーダンスはそれぞれ22.94%、25.60%、9.61%低下し、コーティングの耐食性は良好でした。
6. コーティング耐食性への影響メカニズム
ターフェル曲線と電気インピーダンス値の変化曲線から、グラフェン、カーボンナノチューブ、およびそれらの混合物を添加し、アルミナセラミックコーティングを施すことで、金属マトリックスの耐食性を向上させることができ、両者の相乗効果により、接着性セラミックコーティングの耐食性がさらに向上することがわかりました。ナノ添加剤がコーティングの耐食性に及ぼす影響をさらに探るため、腐食後のコーティングの微細表面形態を観察しました。
図5（A1、A2、B1、B2）は、腐食後の露出した304ステンレス鋼とコーティングされた純アルミナセラミックの表面形態を異なる倍率で示しています。 図5（A2）は、腐食後の表面が粗くなることを示しています。 むき出しの基板の場合、電解液に浸漬した後、表面にいくつかの大きな腐食ピットが現れ、むき出しの金属マトリックスの耐食性が悪く、電解液がマトリックスに浸透しやすいことを示しています。 純アルミナセラミックコーティングの場合、図5（B2）に示すように、腐食後に多孔質の腐食チャネルが生成されますが、純アルミナセラミックコーティングの比較的緻密な構造と優れた耐食性により、電解液の浸入が効果的にブロックされ、これがアルミナセラミックコーティングのインピーダンスの有効な改善の理由を説明しています。
mwnt-cooh-sdbs、0.2%グラフェンを含むコーティング、および0.2% mwnt-cooh-sdbsと0.2%グラフェンを含むコーティングの表面形態。図6のグラフェンを含む2つのコーティング（B2とC2）は平坦な構造で、コーティング内の粒子間の結合が強く、凝集粒子が接着剤でしっかりと包まれていることがわかります。表面は電解液によって侵食されていますが、細孔チャネルは少なく形成されています。腐食後、コーティング表面は緻密で、欠陥構造はほとんどありません。図6（A1、A2）の場合、mwnt-cooh-sdbsの特性により、腐食前のコーティングは均一に分布した多孔質構造です。腐食後、元の部分の細孔は細く長くなり、チャネルは深くなります。図6（B2、C2）と比較すると、構造に欠陥が多くなり、これは電気化学的腐食試験から得られたコーティングインピーダンス値のサイズ分布と一致しています。グラフェン、特にグラフェンとカーボンナノチューブの混合物を含むアルミナセラミックコーティングは、最も優れた耐食性を示すことがわかります。これは、カーボンナノチューブとグラフェンの構造が、ひび割れの拡散を効果的に遮断し、マトリックスを保護するためです。
7. 議論とまとめ
アルミナセラミックコーティングに対するカーボンナノチューブおよびグラフェン添加剤の耐腐食性試験およびコーティングの表面微細構造の分析を通じて、以下の結論が導き出されました。
（1）腐食時間19時間の場合、0.2％ハイブリッドカーボンナノチューブ＋0.2％グラフェン混合材料アルミナセラミックコーティングを添加すると、腐食電流密度は2.890×10-6 A/cm2から1.536×10-6 A/cm2に増加し、電気インピーダンスは11388Ωから28079Ωに増加し、耐腐食効率は最大の46.85％を示した。純粋なアルミナセラミックコーティングと比較して、グラフェンとカーボンナノチューブを混合した複合コーティングは、より優れた耐腐食性を示した。
（2）電解液の浸漬時間が長くなるにつれて、電解液がコーティング／基材の接合面に浸透して金属酸化物膜を形成し、基材への電解液の浸透を阻害します。電気インピーダンスは一旦低下し、その後上昇するため、純アルミナセラミックコーティングの耐食性は低下します。カーボンナノチューブとグラフェンの構造と相乗効果により、電解液の下方浸透が抑制されます。19.5時間浸漬した場合、ナノ材料を含むコーティングの電気インピーダンスはそれぞれ22.94%、25.60%、9.61%低下し、コーティングの耐食性は良好でした。
（3）カーボンナノチューブの特性により、カーボンナノチューブのみを添加したコーティングは、腐食前は均一に分散した多孔質構造を有しています。腐食後は、元の部分の気孔が細く長く、チャネルが深くなります。グラフェンを添加するコーティングは、腐食前は平坦な構造を有し、コーティング中の粒子間の結合は密で、凝集粒子は接着剤によってしっかりと包み込まれています。腐食後、表面は電解液によって侵食されますが、気孔チャネルは少なく、構造は依然として緻密です。カーボンナノチューブとグラフェンの構造は、亀裂の伝播を効果的に阻止し、マトリックスを保護します。
投稿日時: 2022年3月9日