1. Voorbereiding van de coating
Om de latere elektrochemische test te vergemakkelijken, is een 30 mm × 4 mm 304 roestvrijstalen basis gekozen. Het substraat is gepolijst en ontdaan van de resterende oxidelaag en roestvlekken met schuurpapier. Vervolgens is het substraat in een beker met aceton geplaatst en gedurende 20 minuten behandeld met een BG-06C ultrasone reiniger van Bangjie Electronics. De slijtageresten op het oppervlak van het metalen substraat zijn verwijderd met alcohol en gedestilleerd water, waarna het substraat is gedroogd met een föhn. Daarna zijn aluminiumoxide (Al2O3), grafeen en hybride koolstofnanobuisjes (MWNT-COOHSDBS) in de volgende verhoudingen bereid (100:0:0, 99,8:0,2:0, 99,8:0:0,2, 99,6:0,2:0,2) en in een kogelmolen (QM-3SP2 van Nanjing NANDA Instrument Factory) gemalen en gemengd. De rotatiesnelheid van de kogelmolen werd ingesteld op 220 omwentelingen per minuut, en de kogelmolen werd gedraaid om
Na het kogelmalen wordt de rotatiesnelheid van de kogelmaaltank afwisselend ingesteld op 1/2. Het kogelgemalen keramische aggregaat en het bindmiddel worden gelijkmatig gemengd in een massaverhouding van 1,0:0,8. Ten slotte wordt de hechtende keramische coating verkregen door uitharding.
2. Corrosietest
In deze studie wordt de elektrochemische corrosietest uitgevoerd met behulp van het Shanghai Chenhua chi660e elektrochemische werkstation en een drieelektrodesysteem. De platina-elektrode fungeert als hulptoestel, de zilverchloride-elektrode als referentie-elektrode en het gecoate monster als werkelektrode, met een effectief blootstellingsoppervlak van 1 cm². De referentie-elektrode, werkelektrode en hulptoestel worden in de elektrolytische cel met het instrument verbonden, zoals weergegeven in figuren 1 en 2. Vóór de test wordt het monster ondergedompeld in de elektrolyt, een 3,5% NaCl-oplossing.
3. Tafel-analyse van elektrochemische corrosie van coatings
Figuur 3 toont de Tafel-curve van een onbekleed substraat en een keramische coating met verschillende nano-additieven na elektrochemische corrosie gedurende 19 uur. De corrosiespanning, corrosiestroomdichtheid en elektrische impedantiegegevens verkregen uit de elektrochemische corrosietest worden weergegeven in tabel 1.
Indienen
Wanneer de corrosiestroomdichtheid lager is en de corrosiebestendigheid hoger, is het corrosiewerende effect van de coating beter. Figuur 3 en tabel 1 laten zien dat na 19 uur corrosie de maximale corrosiespanning van de onbewerkte metaalmatrix -0,680 V bedraagt en de corrosiestroomdichtheid van de matrix ook het hoogst is, namelijk 2,890 × 10⁻⁶ A/cm². Na het aanbrengen van een coating van zuiver aluminiumoxidekeramiek daalde de corrosiestroomdichtheid tot 78% en de corrosiebestendigheid tot 22,01%. Dit toont aan dat de keramische coating een betere beschermende werking heeft en de corrosiebestendigheid van de coating in een neutrale elektrolyt kan verbeteren.
Wanneer 0,2% mwnt-cooh-sdbs of 0,2% grafeen aan de coating werd toegevoegd, nam de corrosiestroomdichtheid af, nam de weerstand toe en verbeterde de corrosiebestendigheid van de coating verder, met een PE van respectievelijk 38,48% en 40,10%. Wanneer het oppervlak werd gecoat met een aluminiumoxidecoating van 0,2% mwnt-cooh-sdbs en 0,2% grafeen, daalde de corrosiestroom verder van 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² naar 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², steeg de maximale weerstandswaarde van 11388 Ω naar 28079 Ω en bereikte de PE van de coating 46,85%. Dit toont aan dat het bereide product een goede corrosiebestendigheid heeft en dat het synergetische effect van koolstofnanobuisjes en grafeen de corrosiebestendigheid van de keramische coating effectief kan verbeteren.
4. Effect van de inweektijd op de coatingimpedantie
Om de corrosiebestendigheid van de coating verder te onderzoeken, rekening houdend met de invloed van de onderdompelingstijd van het monster in de elektrolyt op de test, zijn de veranderingscurven van de weerstand van de vier coatings bij verschillende onderdompelingstijden verkregen, zoals weergegeven in figuur 4.
Indienen
In de beginfase van de onderdompeling (10 uur) is het, vanwege de goede dichtheid en structuur van de coating, moeilijk voor de elektrolyt om in de coating door te dringen. Op dit moment vertoont de keramische coating een hoge weerstand. Na verloop van tijd neemt de weerstand aanzienlijk af, omdat de elektrolyt na verloop van tijd geleidelijk corrosiekanalen vormt via de poriën en scheuren in de coating en doordringt in de matrix, wat resulteert in een aanzienlijke afname van de weerstand van de coating.
In de tweede fase, wanneer de corrosieproducten tot een bepaalde hoeveelheid toenemen, wordt de diffusie geblokkeerd en de opening geleidelijk dicht. Tegelijkertijd, wanneer de elektrolyt doordringt in het hechtingsvlak van de onderste laag/matrix, reageren de watermoleculen met het Fe-element in de matrix op het grensvlak tussen de coating en de matrix, waardoor een dunne metaaloxidefilm ontstaat. Deze film belemmert de penetratie van de elektrolyt in de matrix en verhoogt de weerstandswaarde. Wanneer de kale metalen matrix elektrochemisch corrodeert, ontstaat het grootste deel van de groene vlokvormige neerslag op de bodem van de elektrolyt. De elektrolytoplossing veranderde niet van kleur tijdens de elektrolyse van het gecoate monster, wat het bestaan van de bovengenoemde chemische reactie bewijst.
Vanwege de korte inweektijd en de grote invloed van externe factoren, zijn de Tafel-curven na 19 uur en 19,5 uur geanalyseerd om de relatie tussen de veranderingen in de elektrochemische parameters nauwkeuriger te bepalen. De corrosiestroomdichtheid en -weerstand, verkregen met de zsimpwin-analysesoftware, worden weergegeven in Tabel 2. Hieruit blijkt dat na 19 uur inweken, vergeleken met het onbehandelde substraat, de corrosiestroomdichtheid van zuiver aluminiumoxide en de aluminiumoxide-composietcoating met nanotoevoegingen lager is en de weerstandswaarde hoger. De weerstandswaarde van de keramische coating met koolstofnanobuisjes en de coating met grafeen is vrijwel gelijk, terwijl de coatingstructuur met koolstofnanobuisjes en grafeencomposietmaterialen aanzienlijk verbeterd is. Dit komt doordat het synergetische effect van eendimensionale koolstofnanobuisjes en tweedimensionaal grafeen de corrosiebestendigheid van het materiaal verbetert.
Naarmate de onderdompelingstijd toeneemt (19,5 uur), neemt de weerstand van het onbedekte substraat toe, wat erop wijst dat het zich in de tweede fase van corrosie bevindt en dat er een metaaloxidefilm op het oppervlak van het substraat wordt gevormd. Op dezelfde manier neemt ook de weerstand van de zuivere aluminiumoxide keramische coating toe naarmate de tijd verstrijkt, wat aangeeft dat, ondanks het vertragende effect van de keramische coating, het elektrolyt inmiddels is doorgedrongen tot de hechtingsinterface tussen de coating en de matrix, waardoor er via een chemische reactie een oxidefilm is gevormd.
Vergeleken met de aluminiumoxidecoating met 0,2% MWNT-COOH-SDBS, de aluminiumoxidecoating met 0,2% grafeen en de aluminiumoxidecoating met 0,2% MWNT-COOH-SDBS en 0,2% grafeen, nam de corrosiebestendigheid van de coating significant af met de tijd, respectievelijk met 22,94%, 25,60% en 9,61%. Dit duidt erop dat het elektrolyt op dat moment niet in de verbinding tussen de coating en het substraat doordrong. Dit komt doordat de structuur van koolstofnanobuisjes en grafeen de neerwaartse penetratie van elektrolyt blokkeert en zo de matrix beschermt. Het synergetische effect van de twee materialen wordt hiermee verder bevestigd. De coating met beide nanomaterialen vertoont een betere corrosiebestendigheid.
Aan de hand van de Tafel-curve en de veranderingscurve van de elektrische impedantiewaarde is gebleken dat de keramische coating van aluminiumoxide met grafeen, koolstofnanobuisjes en een mengsel daarvan de corrosiebestendigheid van de metaalmatrix kan verbeteren. Het synergetische effect van beide componenten kan de corrosiebestendigheid van de hechtende keramische coating verder verhogen. Om het effect van nano-additieven op de corrosiebestendigheid van de coating verder te onderzoeken, werd de micro-oppervlaktemorfologie van de coating na corrosie geobserveerd.
Indienen
Figuur 5 (A1, A2, B1, B2) toont de oppervlaktemorfologie van blootgesteld 304 roestvrij staal en gecoate zuivere aluminiumoxidekeramiek bij verschillende vergrotingen na corrosie. Figuur 5 (A2) laat zien dat het oppervlak na corrosie ruw wordt. Bij het onbedekte substraat verschijnen na onderdompeling in elektrolyt verschillende grote corrosieputten op het oppervlak, wat aangeeft dat de corrosiebestendigheid van de onbedekte metaalmatrix slecht is en dat de elektrolyt gemakkelijk in de matrix kan doordringen. Bij de zuivere aluminiumoxidekeramische coating, zoals weergegeven in figuur 5 (B2), ontstaan weliswaar poreuze corrosiekanalen na corrosie, maar de relatief dichte structuur en uitstekende corrosiebestendigheid van de zuivere aluminiumoxidekeramische coating blokkeren effectief de indringing van elektrolyt. Dit verklaart de effectieve verbetering van de impedantie van de aluminiumoxidekeramische coating.
Indienen
Oppervlaktemorfologie van mwnt-cooh-sdbs, coatings met 0,2% grafeen en coatings met 0,2% mwnt-cooh-sdbs en 0,2% grafeen. Figuur 6 (B2 en C2) toont aan dat de twee coatings met grafeen een vlakke structuur hebben, de binding tussen de deeltjes in de coating sterk is en de aggregaatdeeltjes stevig omhuld zijn door een hechtmiddel. Hoewel het oppervlak door elektrolyt wordt geërodeerd, worden er minder poriënkanalen gevormd. Na corrosie is het coatingoppervlak dicht en zijn er weinig defecten. Figuur 6 (A1, A2) laat zien dat de coating vóór corrosie, vanwege de eigenschappen van mwnt-cooh-sdbs, een gelijkmatig verdeelde poreuze structuur heeft. Na corrosie worden de poriën van het oorspronkelijke deel smaller en langer, en de kanalen dieper. Vergeleken met figuur 6 (B2, C2) vertoont de structuur meer defecten, wat overeenkomt met de grootteverdeling van de impedantiewaarde van de coating die is verkregen uit de elektrochemische corrosietest. Het toont aan dat de keramische coating van aluminiumoxide met grafeen, met name het mengsel van grafeen en koolstofnanobuisjes, de beste corrosiebestendigheid heeft. Dit komt doordat de structuur van koolstofnanobuisjes en grafeen de verspreiding van scheuren effectief kan blokkeren en de matrix kan beschermen.
5. Bespreking en samenvatting
Door middel van corrosiebestendigheidstests met koolstofnanobuisjes en grafeenadditieven op een keramische coating van aluminiumoxide en de analyse van de oppervlaktemicrostructuur van de coating, worden de volgende conclusies getrokken:
(1) Toen de corrosietijd 19 uur bedroeg, nam de corrosiestroomdichtheid toe van 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² tot 1,536 × 10⁻⁶ A/cm² na toevoeging van een aluminiumoxide keramische coating met 0,2% hybride koolstofnanobuisjes en 0,2% grafeen. De elektrische impedantie steeg van 11388 Ω tot 28079 Ω, en de corrosiebestendigheid was het hoogst, namelijk 46,85%. Vergeleken met een zuivere aluminiumoxide keramische coating vertoont de composietcoating met grafeen en koolstofnanobuisjes een betere corrosiebestendigheid.
(2) Naarmate de onderdompelingstijd van de elektrolyt toeneemt, dringt de elektrolyt door in het verbindingsvlak van de coating/substraat en vormt een metaaloxidefilm, die de penetratie van de elektrolyt in het substraat belemmert. De elektrische impedantie neemt eerst af en vervolgens toe, en de corrosiebestendigheid van de zuivere aluminiumoxide keramische coating is slecht. De structuur en synergie van koolstofnanobuisjes en grafeen blokkeerden de neerwaartse penetratie van de elektrolyt. Na een onderdompeling van 19,5 uur nam de elektrische impedantie van de coating met nanomaterialen respectievelijk met 22,94%, 25,60% en 9,61% af, en de corrosiebestendigheid van de coating was goed.
6. Invloedmechanisme van de corrosiebestendigheid van coatings
Aan de hand van de Tafel-curve en de veranderingscurve van de elektrische impedantiewaarde is gebleken dat de keramische coating van aluminiumoxide met grafeen, koolstofnanobuisjes en een mengsel daarvan de corrosiebestendigheid van de metaalmatrix kan verbeteren. Het synergetische effect van beide componenten kan de corrosiebestendigheid van de hechtende keramische coating verder verhogen. Om het effect van nano-additieven op de corrosiebestendigheid van de coating verder te onderzoeken, werd de micro-oppervlaktemorfologie van de coating na corrosie geobserveerd.
Figuur 5 (A1, A2, B1, B2) toont de oppervlaktemorfologie van blootgesteld 304 roestvrij staal en gecoate zuivere aluminiumoxidekeramiek bij verschillende vergrotingen na corrosie. Figuur 5 (A2) laat zien dat het oppervlak na corrosie ruw wordt. Bij het onbedekte substraat verschijnen na onderdompeling in elektrolyt verschillende grote corrosieputten op het oppervlak, wat aangeeft dat de corrosiebestendigheid van de onbedekte metaalmatrix slecht is en dat de elektrolyt gemakkelijk in de matrix kan doordringen. Bij de zuivere aluminiumoxidekeramische coating, zoals weergegeven in figuur 5 (B2), ontstaan weliswaar poreuze corrosiekanalen na corrosie, maar de relatief dichte structuur en uitstekende corrosiebestendigheid van de zuivere aluminiumoxidekeramische coating blokkeren effectief de indringing van elektrolyt. Dit verklaart de effectieve verbetering van de impedantie van de aluminiumoxidekeramische coating.
Oppervlaktemorfologie van mwnt-cooh-sdbs, coatings met 0,2% grafeen en coatings met 0,2% mwnt-cooh-sdbs en 0,2% grafeen. Figuur 6 (B2 en C2) toont aan dat de twee coatings met grafeen een vlakke structuur hebben, de binding tussen de deeltjes in de coating sterk is en de aggregaatdeeltjes stevig omhuld zijn door een hechtmiddel. Hoewel het oppervlak door elektrolyt wordt geërodeerd, worden er minder poriënkanalen gevormd. Na corrosie is het coatingoppervlak dicht en zijn er weinig defecten. Figuur 6 (A1, A2) laat zien dat de coating vóór corrosie, vanwege de eigenschappen van mwnt-cooh-sdbs, een gelijkmatig verdeelde poreuze structuur heeft. Na corrosie worden de poriën van het oorspronkelijke deel smaller en langer, en de kanalen dieper. Vergeleken met figuur 6 (B2, C2) vertoont de structuur meer defecten, wat overeenkomt met de grootteverdeling van de impedantiewaarde van de coating die is verkregen uit de elektrochemische corrosietest. Het toont aan dat de keramische coating van aluminiumoxide met grafeen, met name het mengsel van grafeen en koolstofnanobuisjes, de beste corrosiebestendigheid heeft. Dit komt doordat de structuur van koolstofnanobuisjes en grafeen de verspreiding van scheuren effectief kan blokkeren en de matrix kan beschermen.
7. Bespreking en samenvatting
Door middel van corrosiebestendigheidstests met koolstofnanobuisjes en grafeenadditieven op een keramische coating van aluminiumoxide en de analyse van de oppervlaktemicrostructuur van de coating, worden de volgende conclusies getrokken:
(1) Toen de corrosietijd 19 uur bedroeg, nam de corrosiestroomdichtheid toe van 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² tot 1,536 × 10⁻⁶ A/cm² na toevoeging van een aluminiumoxide keramische coating met 0,2% hybride koolstofnanobuisjes en 0,2% grafeen. De elektrische impedantie steeg van 11388 Ω tot 28079 Ω, en de corrosiebestendigheid was het hoogst, namelijk 46,85%. Vergeleken met een zuivere aluminiumoxide keramische coating vertoont de composietcoating met grafeen en koolstofnanobuisjes een betere corrosiebestendigheid.
(2) Naarmate de onderdompelingstijd van de elektrolyt toeneemt, dringt de elektrolyt door in het verbindingsvlak van de coating/substraat en vormt een metaaloxidefilm, die de penetratie van de elektrolyt in het substraat belemmert. De elektrische impedantie neemt eerst af en vervolgens toe, en de corrosiebestendigheid van de zuivere aluminiumoxide keramische coating is slecht. De structuur en synergie van koolstofnanobuisjes en grafeen blokkeerden de neerwaartse penetratie van de elektrolyt. Na een onderdompeling van 19,5 uur nam de elektrische impedantie van de coating met nanomaterialen respectievelijk met 22,94%, 25,60% en 9,61% af, en de corrosiebestendigheid van de coating was goed.
(3) Door de eigenschappen van koolstofnanobuisjes heeft de coating waaraan alleen koolstofnanobuisjes zijn toegevoegd, vóór corrosie een gelijkmatig verdeelde poreuze structuur. Na corrosie worden de poriën van het oorspronkelijke deel smaller en langer, en de kanalen dieper. De coating die grafeen bevat, heeft vóór corrosie een vlakke structuur, de deeltjes in de coating zijn dicht met elkaar verbonden en de aggregaatdeeltjes zijn stevig omhuld door een kleeflaag. Hoewel het oppervlak na corrosie door elektrolyt wordt geërodeerd, zijn er weinig poriekanalen en blijft de structuur dicht. De structuur van koolstofnanobuisjes en grafeen kan de scheurvoortplanting effectief blokkeren en de matrix beschermen.
Geplaatst op: 09-03-2022