1. 코팅 준비
후속 전기화학 테스트를 용이하게 하기 위해 30mm × 4mm 크기의 304 스테인리스강을 기판으로 선택했습니다. 기판 표면의 잔류 산화층과 녹슨 부분을 사포로 연마하고 제거한 후, 아세톤이 담긴 비커에 담갔습니다. 방지에 전자(Bangjie electronics company)의 BG-06C 초음파 세척기를 사용하여 기판 표면의 얼룩을 20분간 처리했습니다. 금속 기판 표면의 마모 잔해는 알코올과 증류수로 제거하고 송풍기로 건조했습니다. 그런 다음, 알루미나(Al2O3), 그래핀 및 하이브리드 탄소 나노튜브(MWNT-COOH-DBS)를 (100:0:0, 99.8:0.2:0, 99.8:0:0.2, 99.6:0.2:0.2)의 비율로 준비하고, 난징 난다 계측기 공장(Nanjing NANDA instrument factory)의 QM-3SP2 볼밀에 넣어 볼 밀링 및 혼합했습니다. 볼밀의 회전 속도를 220 R/min으로 설정하고 볼밀을 회전시켰다.
볼 밀링 후, 볼 밀링 탱크의 회전 속도를 1/2로 번갈아 설정하고, 볼 밀링이 완료되면 볼 밀링 탱크의 회전 속도를 1/2로 번갈아 설정하여 볼 밀링된 세라믹 골재와 바인더를 1.0:0.8의 질량비로 균일하게 혼합합니다. 마지막으로 경화 공정을 통해 접착성 세라믹 코팅을 얻습니다.
2. 부식 시험
본 연구에서는 상하이 천화 chi660e 전기화학 워크스테이션을 이용하여 전기화학적 부식 시험을 수행하였으며, 3전극 시스템을 사용하였다. 백금 전극은 보조 전극, 염화은 전극은 기준 전극, 코팅된 시료는 작업 전극으로 사용하였으며, 유효 노출 면적은 1cm²이다. 그림 1과 2에 나타낸 바와 같이 전해조 내의 기준 전극, 작업 전극, 보조 전극을 장비에 연결하였다. 시험 전에 시료를 3.5% NaCl 용액에 담갔다.
3. 코팅의 전기화학적 부식에 대한 타펠 분석
그림 3은 19시간 동안 전기화학적 부식을 진행한 후 코팅되지 않은 기판과 다양한 나노 첨가제로 코팅된 세라믹 코팅의 타펠 곡선을 보여준다. 전기화학적 부식 시험에서 얻은 부식 전압, 부식 전류 밀도 및 전기 임피던스 측정 데이터는 표 1에 나타냈다.
제출하다
부식 전류 밀도가 작을수록, 그리고 부식 저항 효율이 높을수록 코팅의 부식 저항 효과가 우수합니다. 그림 3과 표 1에서 볼 수 있듯이, 부식 시간이 19시간일 때, 맨 금속 기판의 최대 부식 전압은 -0.680V이고, 기판의 부식 전류 밀도 또한 2.890 × 10⁻⁶ A/cm²로 가장 높습니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅을 적용했을 때, 부식 전류 밀도는 78% 감소했고, 부식 저항 효율(PE)은 22.01%였습니다. 이는 세라믹 코팅이 더 나은 보호 역할을 하며 중성 전해질에서 코팅의 부식 저항성을 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
코팅에 0.2% mwnt-cooh-sdbs 또는 0.2% 그래핀을 첨가했을 때, 부식 전류 밀도는 감소하고 저항은 증가하여 코팅의 내식성이 더욱 향상되었으며, PE는 각각 38.48%와 40.10%에 달했습니다. 표면에 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀이 혼합된 알루미나 코팅을 적용했을 때, 부식 전류는 2.890 × 10⁻⁶ A/cm²에서 1.536 × 10⁻⁶ A/cm²로 더욱 감소했고, 최대 저항값은 11388 Ω에서 28079 Ω으로 증가했으며, 코팅의 PE는 46.85%에 도달했습니다. 이는 제조된 목표 제품이 우수한 내식성을 가지며, 탄소 나노튜브와 그래핀의 시너지 효과가 세라믹 코팅의 내식성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 보여줍니다.
4. 침지 시간이 코팅 임피던스에 미치는 영향
코팅의 내식성을 더욱 자세히 살펴보기 위해, 전해액에 시료를 침지하는 시간이 시험에 미치는 영향을 고려하여, 그림 4와 같이 서로 다른 침지 시간에 따른 네 가지 코팅의 저항 변화 곡선을 얻었다.
제출하다
초기 침지 단계(10시간)에서는 코팅의 밀도와 구조가 양호하여 전해액이 코팅 내부로 침투하기 어렵습니다. 이때 세라믹 코팅은 높은 저항을 나타냅니다. 일정 시간 침지 후에는 저항이 크게 감소하는데, 이는 시간이 지남에 따라 전해액이 코팅의 기공과 균열을 통해 부식 통로를 형성하고 기지 조직으로 침투하여 코팅의 저항을 현저히 낮추기 때문입니다.
두 번째 단계에서는 부식 생성물이 일정량 증가하면 확산이 차단되어 틈새가 점차 막힙니다. 동시에 전해액이 접합 하부층/기지층의 접합 계면으로 침투할 때, 물 분자가 코팅/기지층 접합부의 기지층 내의 철(Fe) 원소와 반응하여 얇은 금속 산화막을 형성합니다. 이 산화막은 전해액의 기지층 침투를 방해하고 저항값을 증가시킵니다. 노출된 금속 기지층이 전기화학적으로 부식될 때, 대부분의 녹색 응집성 침전물은 전해액 바닥에 생성됩니다. 코팅된 시료를 전해할 때 전해액의 색이 변하지 않는다는 것은 상기 화학 반응이 실제로 일어났음을 증명합니다.
침지 시간이 짧고 외부 영향 요인이 크기 때문에 전기화학적 매개변수의 정확한 변화 관계를 더 자세히 파악하기 위해 19시간과 19.5시간의 타펠 곡선을 분석했습니다. zsimpwin 분석 소프트웨어를 통해 얻은 부식 전류 밀도와 저항 값은 표 2에 나타냈습니다. 19시간 침지 시, 순수 알루미나와 나노 첨가제를 함유한 알루미나 복합 코팅은 맨 기판에 비해 부식 전류 밀도가 더 작고 저항 값은 더 큰 것을 알 수 있습니다. 탄소 나노튜브를 함유한 세라믹 코팅과 그래핀을 함유한 코팅의 저항 값은 거의 동일하지만, 탄소 나노튜브와 그래핀 복합 재료를 포함하는 코팅 구조는 내식성이 크게 향상되었습니다. 이는 1차원 탄소 나노튜브와 2차원 그래핀의 시너지 효과로 재료의 내식성이 향상되었기 때문입니다.
침지 시간이 증가함에 따라(19.5시간) 기판의 저항이 증가하는데, 이는 부식의 2단계에 진입하여 기판 표면에 금속 산화막이 생성되었음을 나타냅니다. 마찬가지로, 시간이 증가함에 따라 순수 알루미나 세라믹 코팅의 저항도 증가하는데, 이는 세라믹 코팅의 부식 지연 효과가 있음에도 불구하고 전해액이 코팅/기판 접합 계면에 침투하여 화학 반응을 통해 산화막을 생성했음을 의미합니다.
0.2% mwnt-cooh-sdbs를 함유한 알루미나 코팅, 0.2% 그래핀을 함유한 알루미나 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함께 함유한 알루미나 코팅과 비교했을 때, 코팅의 내식성은 시간이 지남에 따라 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 크게 감소했습니다. 이는 전해액이 코팅과 기판 사이의 접합부로 침투하지 않았음을 나타냅니다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조가 전해액의 하향 침투를 차단하여 기판을 보호하기 때문입니다. 두 나노 소재의 시너지 효과가 더욱 입증되었으며, 두 나노 소재를 함유한 코팅은 더 우수한 내식성을 보였습니다.
타펠 곡선과 전기 임피던스 값 변화 곡선을 통해 그래핀, 탄소 나노튜브 및 이들의 혼합물을 함유한 알루미나 세라믹 코팅이 금속 기판의 내식성을 향상시킬 수 있으며, 두 물질의 시너지 효과는 접착성 세라믹 코팅의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 나노 첨가제가 코팅의 내식성에 미치는 영향을 더 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 나타낸 것이다. 그림 5(A2)에서 볼 수 있듯이 부식 후 표면은 거칠어졌다. 노출된 기판의 경우, 전해액에 침지 후 표면에 여러 개의 큰 부식 구덩이가 나타나는데, 이는 노출된 금속 기판의 내식성이 좋지 않고 전해액이 쉽게 침투함을 나타낸다. 순수 알루미나 세라믹 코팅의 경우, 그림 5(B2)에서 볼 수 있듯이 부식 후 다공성 부식 채널이 생성되기는 하지만, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 비교적 조밀한 구조와 우수한 내식성으로 인해 전해액의 침투를 효과적으로 차단할 수 있다. 이는 알루미나 세라믹 코팅의 임피던스가 효과적으로 향상된 이유를 설명한다.
제출하다
mwnt-cooh-sdbs 코팅, 0.2% 그래핀 함유 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함께 함유한 코팅의 표면 형태를 나타낸다. 그림 6(B2 및 C2)에서 그래핀을 함유한 두 코팅은 평평한 구조를 가지며, 코팅 내 입자 간 결합이 단단하고 응집된 입자들이 접착성 물질로 촘촘하게 둘러싸여 있음을 알 수 있다. 전해질에 의해 표면이 침식되더라도 기공 채널은 거의 형성되지 않는다. 부식 후 코팅 표면은 치밀하고 결함 구조가 거의 없다. 그림 6(A1, A2)의 경우, mwnt-cooh-sdbs의 특성으로 인해 부식 전 코팅은 균일하게 분포된 다공성 구조를 나타낸다. 부식 후, 원래 부분의 기공은 좁고 길어지며 채널은 더 깊어진다. 그림 6(B2, C2)와 비교하면 구조에 결함이 더 많으며, 이는 전기화학적 부식 시험에서 얻은 코팅 임피던스 값의 크기 분포와 일치한다. 이는 그래핀을 함유한 알루미나 세라믹 코팅, 특히 그래핀과 탄소 나노튜브의 혼합물이 가장 우수한 내식성을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 그 이유는 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조가 균열 확산을 효과적으로 차단하고 기지를 보호하기 때문입니다.
5. 논의 및 요약
알루미나 세라믹 코팅에 대한 탄소 나노튜브 및 그래핀 첨가제의 부식 저항성 시험과 코팅 표면 미세구조 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 부식 시간이 19시간일 때, 0.2% 하이브리드 탄소 나노튜브 + 0.2% 그래핀 혼합 재료 알루미나 세라믹 코팅을 첨가하면 부식 전류 밀도가 2.890 × 10⁻⁶ A/cm²에서 1.536 × 10⁻⁶ A/cm²로 감소하고 전기 임피던스가 11388 Ω에서 28079 Ω으로 증가하며 부식 저항 효율이 46.85%로 가장 높았습니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅과 비교했을 때, 그래핀과 탄소 나노튜브를 함유한 복합 코팅이 더 우수한 부식 저항성을 보였습니다.
(2) 전해액 침지 시간이 증가함에 따라 전해액이 코팅/기판 접합면으로 침투하여 금속 산화막을 형성하고, 이는 전해액이 기판으로 침투하는 것을 방해합니다. 전기 임피던스는 처음에는 감소하다가 증가하며, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 내식성은 좋지 않습니다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조 및 시너지 효과는 전해액의 하향 침투를 차단합니다. 19.5시간 동안 침지했을 때, 나노 소재를 함유한 코팅의 전기 임피던스는 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 감소하여 코팅의 내식성이 우수했습니다.
6. 코팅 부식 저항성에 미치는 영향 메커니즘
타펠 곡선과 전기 임피던스 값 변화 곡선을 통해 그래핀, 탄소 나노튜브 및 이들의 혼합물을 함유한 알루미나 세라믹 코팅이 금속 기판의 내식성을 향상시킬 수 있으며, 두 물질의 시너지 효과는 접착성 세라믹 코팅의 내식성을 더욱 향상시킬 수 있음을 확인했습니다. 나노 첨가제가 코팅의 내식성에 미치는 영향을 더 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 나타낸 것이다. 그림 5(A2)에서 볼 수 있듯이 부식 후 표면은 거칠어졌다. 노출된 기판의 경우, 전해액에 침지 후 표면에 여러 개의 큰 부식 구덩이가 나타나는데, 이는 노출된 금속 기판의 내식성이 좋지 않고 전해액이 쉽게 침투함을 나타낸다. 순수 알루미나 세라믹 코팅의 경우, 그림 5(B2)에서 볼 수 있듯이 부식 후 다공성 부식 채널이 생성되기는 하지만, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 비교적 조밀한 구조와 우수한 내식성으로 인해 전해액의 침투를 효과적으로 차단할 수 있다. 이는 알루미나 세라믹 코팅의 임피던스가 효과적으로 향상된 이유를 설명한다.
mwnt-cooh-sdbs 코팅, 0.2% 그래핀 함유 코팅, 그리고 0.2% mwnt-cooh-sdbs와 0.2% 그래핀을 함께 함유한 코팅의 표면 형태를 나타낸다. 그림 6(B2 및 C2)에서 그래핀을 함유한 두 코팅은 평평한 구조를 가지며, 코팅 내 입자 간 결합이 단단하고 응집된 입자들이 접착성 물질로 촘촘하게 둘러싸여 있음을 알 수 있다. 전해질에 의해 표면이 침식되더라도 기공 채널은 거의 형성되지 않는다. 부식 후 코팅 표면은 치밀하고 결함 구조가 거의 없다. 그림 6(A1, A2)의 경우, mwnt-cooh-sdbs의 특성으로 인해 부식 전 코팅은 균일하게 분포된 다공성 구조를 나타낸다. 부식 후, 원래 부분의 기공은 좁고 길어지며 채널은 더 깊어진다. 그림 6(B2, C2)와 비교하면 구조에 결함이 더 많으며, 이는 전기화학적 부식 시험에서 얻은 코팅 임피던스 값의 크기 분포와 일치한다. 이는 그래핀을 함유한 알루미나 세라믹 코팅, 특히 그래핀과 탄소 나노튜브의 혼합물이 가장 우수한 내식성을 나타낸다는 것을 보여줍니다. 그 이유는 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조가 균열 확산을 효과적으로 차단하고 기지를 보호하기 때문입니다.
7. 토론 및 요약
알루미나 세라믹 코팅에 대한 탄소 나노튜브 및 그래핀 첨가제의 부식 저항성 시험과 코팅 표면 미세구조 분석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 부식 시간이 19시간일 때, 0.2% 하이브리드 탄소 나노튜브 + 0.2% 그래핀 혼합 재료 알루미나 세라믹 코팅을 첨가하면 부식 전류 밀도가 2.890 × 10⁻⁶ A/cm²에서 1.536 × 10⁻⁶ A/cm²로 감소하고 전기 임피던스가 11388 Ω에서 28079 Ω으로 증가하며 부식 저항 효율이 46.85%로 가장 높았습니다. 순수 알루미나 세라믹 코팅과 비교했을 때, 그래핀과 탄소 나노튜브를 함유한 복합 코팅이 더 우수한 부식 저항성을 보였습니다.
(2) 전해액 침지 시간이 증가함에 따라 전해액이 코팅/기판 접합면으로 침투하여 금속 산화막을 형성하고, 이는 전해액이 기판으로 침투하는 것을 방해합니다. 전기 임피던스는 처음에는 감소하다가 증가하며, 순수 알루미나 세라믹 코팅의 내식성은 좋지 않습니다. 탄소 나노튜브와 그래핀의 구조 및 시너지 효과는 전해액의 하향 침투를 차단합니다. 19.5시간 동안 침지했을 때, 나노 소재를 함유한 코팅의 전기 임피던스는 각각 22.94%, 25.60%, 9.61% 감소하여 코팅의 내식성이 우수했습니다.
(3) 탄소나노튜브의 특성으로 인해, 탄소나노튜브만 첨가된 코팅은 부식 전에는 균일하게 분포된 다공성 구조를 갖는다. 부식 후에는 원래 부분의 기공이 좁고 길어지며, 채널은 더 깊어진다. 그래핀을 함유한 코팅은 부식 전에는 평평한 구조를 가지며, 코팅 내 입자들 간의 결합이 조밀하고, 응집된 입자들이 접착력으로 단단히 둘러싸여 있다. 부식 후 전해질에 의해 표면이 침식되더라도 기공 채널이 거의 없고 구조가 여전히 조밀하다. 탄소나노튜브와 그래핀의 구조는 균열 전파를 효과적으로 차단하고 기지를 보호할 수 있다.
게시 시간: 2022년 3월 9일