1. 코팅 준비
영어: 나중에 전기화학 시험을 용이하게 하기 위해 30mm × 4mm 304 스테인리스 스틸을 기반으로 선택합니다. 사포로 기판 표면의 잔여 산화층과 녹 반점을 연마하고 제거한 다음 아세톤이 담긴 비이커에 넣고 Bangjie 전자 회사의 bg-06c 초음파 세척기로 기판 표면의 얼룩을 20분 동안 처리하고 알코올과 증류수로 금속 기판 표면의 마모 잔해를 제거하고 송풍기로 건조합니다. 그런 다음 알루미나(Al2O3), 그래핀 및 하이브리드 탄소 나노튜브(mwnt-coohsdbs)를 비율(100:0:0, 99.8:0.2:0, 99.8:0:0.2, 99.6:0.2:0.2)로 준비하여 볼 밀(난징 NANDA 기기 공장의 qm-3sp2)에 넣어 볼 밀링 및 혼합합니다. 볼밀의 회전속도는 220 R/min으로 설정하였고, 볼밀을 회전시켰다.
볼 밀링 후, 볼 밀링 탱크의 회전 속도를 1/2로 교대로 설정하고, 볼 밀링 완료 후 볼 밀링 탱크의 회전 속도를 1/2로 교대로 설정합니다. 볼 밀링된 세라믹 골재와 바인더는 질량 분율 1.0 ∶ 0.8에 따라 균일하게 혼합합니다. 마지막으로 경화 공정을 통해 접착성 세라믹 코팅을 얻습니다.
2. 부식 시험
본 연구에서는 상하이 천화(Shanghai Chenhua)의 chi660e 전기화학 워크스테이션을 사용하여 전기화학 부식 시험을 수행하였으며, 3전극 시험 시스템을 사용하였다. 백금 전극은 보조 전극, 은(Ag)/염화은 전극은 기준 전극, 코팅된 시료는 작동 전극으로 사용하였으며, 유효 노출 면적은 1cm²였다. 그림 1과 2와 같이 기준 전극, 작동 전극, 그리고 보조 전극을 전해조에 연결하고, 시험 전에 시료를 3.5% NaCl 용액인 전해질에 담갔다.
3. 코팅의 전기화학적 부식에 대한 타펠 분석
그림 3은 코팅되지 않은 기판과 다양한 나노 첨가제로 코팅된 세라믹 코팅의 19시간 전기화학적 부식 후 타펠 곡선을 보여줍니다. 전기화학적 부식 시험에서 얻은 부식 전압, 부식 전류 밀도 및 전기 임피던스 시험 데이터는 표 1에 제시되어 있습니다.
제출하다
부식 전류 밀도가 낮고 내식 효율이 높을수록 코팅의 내식 효과가 더 좋습니다. 그림 3과 표 1에서 알 수 있듯이, 부식 시간이 19시간일 때 베어 메탈 매트릭스의 최대 부식 전압은 -0.680V이고, 매트릭스의 부식 전류 밀도 또한 가장 높아 2.890 × 10-6 A/cm²에 도달합니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅으로 코팅했을 때 부식 전류 밀도는 78%로 감소했고, PE는 22.01%였습니다. 이는 세라믹 코팅이 더 나은 보호 역할을 하며 중성 전해질에서 코팅의 내식성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
코팅에 0.2% mwnt-cooh-sdbs 또는 0.2% 그래핀을 첨가했을 때 부식 전류 밀도는 감소하고 저항은 증가했으며 코팅의 내식성은 각각 38.48%와 40.10%로 더욱 향상되었습니다. 표면을 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀 혼합 알루미나 코팅으로 코팅했을 때 부식 전류는 2.890 × 10-6 A/cm2에서 최대 저항값인 1.536 × 10-6 A/cm2로 더욱 감소했으며, 코팅의 PE는 11388 Ω에서 28079 Ω로 증가했습니다. 이는 제조된 목표 생성물이 우수한 내식성을 가지며 탄소 나노튜브와 그래핀의 상승 효과가 세라믹 코팅의 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
4. 코팅 임피던스에 대한 침지 시간의 영향
코팅의 내식성을 더욱 자세히 알아보기 위해, 시료를 전해질에 담그는 시간이 시험에 미치는 영향을 고려하여, 그림 4에 나타낸 바와 같이, 4가지 코팅의 다른 담그기 시간에 따른 저항 변화 곡선을 얻었다.
제출하다
침지 초기(10시간)에는 코팅의 밀도와 구조가 우수하여 전해액이 코팅에 침지되기 어렵습니다. 이때 세라믹 코팅은 높은 저항성을 나타냅니다. 일정 시간 침지 후에는 시간이 지남에 따라 전해액이 코팅의 기공과 균열을 통해 점차적으로 부식 통로를 형성하고 매트릭스 내부로 침투하여 코팅의 저항성이 크게 감소하기 때문에 저항성이 크게 감소합니다.
두 번째 단계에서는 부식 생성물이 일정량까지 증가하면 확산이 차단되고 간극이 점차 막힙니다. 동시에 전해질이 접합 하부층/매트릭스의 접합 계면으로 침투하면 물 분자가 코팅/매트릭스 접합부에서 매트릭스 내의 Fe 원소와 반응하여 얇은 금속 산화물 피막을 생성하여 전해질이 매트릭스로 침투하는 것을 방해하고 저항 값을 증가시킵니다. 베어 메탈 매트릭스가 전기 화학적으로 부식되면 대부분의 녹색 응집 침전물이 전해질 바닥에 생성됩니다. 코팅된 샘플을 전기 분해할 때 전해액의 색상이 변하지 않았는데, 이는 위의 화학 반응이 존재함을 증명할 수 있습니다.
짧은 침지 시간과 큰 외부 영향 요인으로 인해 전기화학적 매개변수의 정확한 변화 관계를 더욱 얻기 위해 19시간과 19.5시간의 타펠 곡선을 분석했습니다. zsimpwin 분석 소프트웨어로 얻은 부식 전류 밀도와 저항은 표 2에 나와 있습니다. 19시간 동안 침지했을 때, 나노 첨가제 재료를 포함한 순수 알루미나와 알루미나 복합 코팅의 부식 전류 밀도가 맨 기판에 비해 작고 저항 값이 더 큰 것을 알 수 있습니다. 탄소 나노튜브를 포함한 세라믹 코팅과 그래핀을 포함한 코팅의 저항 값은 거의 같은 반면, 탄소 나노튜브와 그래핀 복합 재료를 사용한 코팅 구조는 상당히 향상되었습니다. 이는 1차원 탄소 나노튜브와 2차원 그래핀의 상승 효과가 재료의 내식성을 향상시키기 때문입니다.
침지 시간(19.5시간)이 증가함에 따라, 노출된 기판의 저항이 증가하여 기판이 부식 2단계에 있으며 기판 표면에 금속 산화막이 형성되었음을 나타냅니다. 마찬가지로, 시간이 증가함에 따라 순수 알루미나 세라믹 코팅의 저항도 증가하는데, 이는 세라믹 코팅의 침지 효과는 있지만, 전해질이 코팅/매트릭스의 접합 계면으로 침투하여 화학 반응을 통해 산화막을 형성했음을 나타냅니다.
0.2% mwnt-cooh-sdbs를 함유한 알루미나 코팅, 0.2% 그래핀을 함유한 알루미나 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함유한 알루미나 코팅과 비교했을 때, 코팅 저항은 시간이 지남에 따라 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 감소하여 현저히 감소했습니다. 이는 이 시점에서 전해질이 코팅과 기판 사이의 접합부로 침투하지 못했음을 나타냅니다. 이는 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조가 전해질의 하향 침투를 차단하여 매트릭스를 보호하기 때문입니다. 이 둘의 시너지 효과는 더욱 검증되었습니다. 두 가지 나노 물질을 함유한 코팅은 내식성이 더 우수합니다.
타펠 곡선과 전기 임피던스 값 변화 곡선을 통해 그래핀, 탄소 나노튜브 및 이들의 혼합물을 이용한 알루미나 세라믹 코팅이 금속 매트릭스의 내식성을 향상시킬 수 있으며, 이 둘의 시너지 효과는 접착 세라믹 코팅의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 나노 첨가제가 코팅의 내식성에 미치는 영향을 더욱 자세히 알아보기 위해 부식 후 코팅의 미세 표면 형태를 관찰했습니다.
제출하다
그림 5(A1, A2, B1, B2)는 부식 후 노출된 304 스테인리스강과 코팅된 순수 알루미나 세라믹의 표면 형태를 다양한 배율로 보여줍니다. 그림 5(A2)는 부식 후 표면이 거칠어진 것을 보여줍니다. 노출된 기판의 경우, 전해액에 담근 후 표면에 여러 개의 큰 부식 구멍이 나타나는데, 이는 노출된 금속 매트릭스의 내식성이 좋지 않고 전해액이 매트릭스 내부로 쉽게 침투함을 나타냅니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅의 경우, 그림 5(B2)와 같이 부식 후 다공성 부식 채널이 생성되지만, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 비교적 치밀한 구조와 우수한 내식성은 전해액의 침투를 효과적으로 차단하여 알루미나 세라믹 코팅의 임피던스가 효과적으로 향상되는 이유를 설명합니다.
제출하다
mwnt-cooh-sdbs, 0.2% 그래핀을 함유한 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함유한 코팅의 표면 형태. 그림 6(B2 및 C2)에서 그래핀을 함유한 두 코팅은 평평한 구조를 가지고 있으며, 코팅 내 입자 간 결합이 단단하고, 응집 입자가 접착제로 단단히 싸여 있음을 알 수 있습니다. 표면은 전해질에 의해 침식되었지만, 기공 채널은 덜 형성됩니다. 부식 후, 코팅 표면은 조밀하고 결함 구조는 거의 없습니다. 그림 6(A1, A2)의 경우, mwnt-cooh-sdbs의 특성으로 인해 부식 전 코팅은 균일하게 분포된 다공성 구조입니다. 부식 후, 원래 부분의 기공은 좁아지고 길어지며 채널은 더 깊어집니다. 그림 6(B2, C2)과 비교하여 구조에 결함이 더 많으며, 이는 전기화학적 부식 시험에서 얻은 코팅 임피던스 값의 크기 분포와 일치합니다. 그래핀, 특히 그래핀과 탄소나노튜브의 혼합물을 포함하는 알루미나 세라믹 코팅이 가장 우수한 내식성을 나타냄을 보여줍니다. 이는 탄소나노튜브와 그래핀의 구조가 균열 확산을 효과적으로 차단하고 매트릭스를 보호할 수 있기 때문입니다.
5. 토론 및 요약
알루미나 세라믹 코팅에 대한 탄소나노튜브와 그래핀 첨가제의 내식성 시험과 코팅 표면 미세구조 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다.
(1) 부식 시간이 19시간일 때, 0.2% 하이브리드 탄소나노튜브 + 0.2% 그래핀 혼합 소재 알루미나 세라믹 코팅을 첨가했을 때, 부식 전류 밀도는 2.890×10-6 A/cm²에서 1.536×10-6 A/cm²로 증가했고, 전기 임피던스는 11388Ω에서 28079Ω으로 증가했으며, 내식 효율은 46.85%로 가장 높았습니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅과 비교했을 때, 그래핀과 탄소나노튜브를 혼합한 복합 코팅은 내식성이 더 우수했습니다.
(2) 전해질의 침지 시간이 증가함에 따라 전해질이 코팅/기판의 접합 표면으로 침투하여 금속 산화막을 형성하고, 이는 전해질의 기판 침투를 방해합니다. 전기 임피던스는 처음에는 감소하다가 다시 증가하며, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 내식성은 좋지 않습니다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조 및 시너지 효과는 전해질의 하향 침투를 차단했습니다. 나노 물질을 함유한 코팅의 19.5시간 침지 시, 전기 임피던스는 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 감소하여 코팅의 내식성은 양호했습니다.
6. 코팅 내식성 영향 메커니즘
타펠 곡선과 전기 임피던스 값 변화 곡선을 통해 그래핀, 탄소 나노튜브 및 이들의 혼합물을 이용한 알루미나 세라믹 코팅이 금속 매트릭스의 내식성을 향상시킬 수 있으며, 이 둘의 시너지 효과는 접착 세라믹 코팅의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 나노 첨가제가 코팅의 내식성에 미치는 영향을 더욱 자세히 알아보기 위해 부식 후 코팅의 미세 표면 형태를 관찰했습니다.
그림 5(A1, A2, B1, B2)는 부식 후 노출된 304 스테인리스강과 코팅된 순수 알루미나 세라믹의 표면 형태를 다양한 배율로 보여줍니다. 그림 5(A2)는 부식 후 표면이 거칠어진 것을 보여줍니다. 노출된 기판의 경우, 전해액에 담근 후 표면에 여러 개의 큰 부식 구멍이 나타나는데, 이는 노출된 금속 매트릭스의 내식성이 좋지 않고 전해액이 매트릭스 내부로 쉽게 침투함을 나타냅니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅의 경우, 그림 5(B2)와 같이 부식 후 다공성 부식 채널이 생성되지만, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 비교적 치밀한 구조와 우수한 내식성은 전해액의 침투를 효과적으로 차단하여 알루미나 세라믹 코팅의 임피던스가 효과적으로 향상되는 이유를 설명합니다.
mwnt-cooh-sdbs, 0.2% 그래핀을 함유한 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함유한 코팅의 표면 형태. 그림 6(B2 및 C2)에서 그래핀을 함유한 두 코팅은 평평한 구조를 가지고 있으며, 코팅 내 입자 간 결합이 단단하고, 응집 입자가 접착제로 단단히 싸여 있음을 알 수 있습니다. 표면은 전해질에 의해 침식되었지만, 기공 채널은 덜 형성됩니다. 부식 후, 코팅 표면은 조밀하고 결함 구조는 거의 없습니다. 그림 6(A1, A2)의 경우, mwnt-cooh-sdbs의 특성으로 인해 부식 전 코팅은 균일하게 분포된 다공성 구조입니다. 부식 후, 원래 부분의 기공은 좁아지고 길어지며 채널은 더 깊어집니다. 그림 6(B2, C2)과 비교하여 구조에 결함이 더 많으며, 이는 전기화학적 부식 시험에서 얻은 코팅 임피던스 값의 크기 분포와 일치합니다. 그래핀, 특히 그래핀과 탄소나노튜브의 혼합물을 포함하는 알루미나 세라믹 코팅이 가장 우수한 내식성을 나타냄을 보여줍니다. 이는 탄소나노튜브와 그래핀의 구조가 균열 확산을 효과적으로 차단하고 매트릭스를 보호할 수 있기 때문입니다.
7. 토론 및 요약
알루미나 세라믹 코팅에 대한 탄소나노튜브와 그래핀 첨가제의 내식성 시험과 코팅 표면 미세구조 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출했습니다.
(1) 부식 시간이 19시간일 때, 0.2% 하이브리드 탄소나노튜브 + 0.2% 그래핀 혼합 소재 알루미나 세라믹 코팅을 첨가했을 때, 부식 전류 밀도는 2.890×10-6 A/cm²에서 1.536×10-6 A/cm²로 증가했고, 전기 임피던스는 11388Ω에서 28079Ω으로 증가했으며, 내식 효율은 46.85%로 가장 높았습니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅과 비교했을 때, 그래핀과 탄소나노튜브를 혼합한 복합 코팅은 내식성이 더 우수했습니다.
(2) 전해질의 침지 시간이 증가함에 따라 전해질이 코팅/기판의 접합 표면으로 침투하여 금속 산화막을 형성하고, 이는 전해질의 기판 침투를 방해합니다. 전기 임피던스는 처음에는 감소하다가 다시 증가하며, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 내식성은 좋지 않습니다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조 및 시너지 효과는 전해질의 하향 침투를 차단했습니다. 나노 물질을 함유한 코팅의 19.5시간 침지 시, 전기 임피던스는 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 감소하여 코팅의 내식성은 양호했습니다.
(3) 탄소나노튜브의 특성으로 인해, 탄소나노튜브만 첨가된 코팅은 부식 전에는 균일하게 분포된 다공성 구조를 가지지만, 부식 후에는 원래 부분의 기공이 좁고 길어지며, 기공의 통로가 더 깊어집니다. 그래핀을 첨가한 코팅은 부식 전에는 평평한 구조를 가지며, 코팅 내 입자 간의 결합이 치밀하고, 응집 입자는 접착제에 의해 단단히 감싸져 있습니다. 부식 후 전해질에 의해 표면이 침식되더라도, 기공의 통로는 거의 없고 구조는 여전히 치밀합니다. 탄소나노튜브와 그래핀의 구조는 균열 전파를 효과적으로 차단하고 매트릭스를 보호할 수 있습니다.
게시 시간: 2022년 3월 9일