1. Przygotowanie powłoki
Aby ułatwić późniejszą analizę elektrochemiczną, jako podłoże wybrano stal nierdzewną 304 o wymiarach 30 mm x 4 mm. Wypoleruj i usuń resztki tlenku oraz plamy rdzy z powierzchni podłoża papierem ściernym, umieść je w zlewce z acetonem, oczyść plamy na powierzchni podłoża myjką ultradźwiękową BG-06C firmy Bangjie Electronics przez 20 minut, usuń pozostałości zużycia z powierzchni metalowego podłoża alkoholem i wodą destylowaną, a następnie osusz je dmuchawą. Następnie przygotowano tlenek glinu (Al2O3), grafen i hybrydową nanorurkę węglową (mwnt-coohsdbs) w proporcjach (100:0:0, 99,8:0,2:0, 99,8:0:0,2, 99,6:0,2:0,2) i umieszczono w młynie kulowym (qm-3sp2 z fabryki instrumentów NANDA w Nankinie) w celu zmielenia i wymieszania. Prędkość obrotową młyna kulowego ustawiono na 220 obr./min, a młyn kulowy włączono do
Po zakończeniu mielenia kulowego, ustaw prędkość obrotową zbiornika młyna kulowego na 1/2 naprzemiennie po zakończeniu mielenia kulowego, a następnie ustaw prędkość obrotową zbiornika młyna kulowego na 1/2 naprzemiennie po zakończeniu mielenia kulowego. Zmielone kulowo kruszywo ceramiczne i spoiwo miesza się równomiernie, zachowując ułamek masowy 1,0 ∶ 0,8. Na koniec, poprzez proces utwardzania, uzyskano adhezyjną powłokę ceramiczną.
2. Badanie korozyjne
W niniejszym badaniu elektrochemiczny test korozyjny przeprowadzono na stanowisku elektrochemicznym Shanghai Chenhua CHI660E, a test przeprowadzono w systemie trójelektrodowym. Elektroda platynowa pełni rolę elektrody pomocniczej, elektroda srebrowa z chlorkiem srebra pełni rolę elektrody odniesienia, a powlekana próbka pełni rolę elektrody roboczej, o efektywnej powierzchni ekspozycji 1 cm². Podłącz elektrodę odniesienia, elektrodę roboczą i elektrodę pomocniczą w komorze elektrolitycznej do urządzenia, jak pokazano na rysunkach 1 i 2. Przed testem należy zanurzyć próbkę w elektrolicie, który stanowi 3,5% roztwór NaCl.
3. Analiza Tafela korozji elektrochemicznej powłok
Rys. 3 przedstawia krzywą Tafela dla podłoża niepowlekanego i powłoki ceramicznej pokrytej różnymi nanododatkami po 19-godzinnej próbie korozji elektrochemicznej. Dane dotyczące napięcia korozji, gęstości prądu korozji i impedancji elektrycznej uzyskane w teście korozji elektrochemicznej przedstawiono w tabeli 1.
Składać
Im mniejsza gęstość prądu korozyjnego, tym lepsza odporność powłoki na korozję. Z rysunku 3 i tabeli 1 wynika, że przy czasie korozji 19 godzin maksymalne napięcie korozji gołej matrycy metalowej wynosi -0,680 V, a gęstość prądu korozji matrycy jest również największa, osiągając 2,890 × 10-6 A/cm². Po pokryciu powłoką ceramiczną z czystego tlenku glinu gęstość prądu korozji spadła do 78%, a PE do 22,01%. Pokazuje to, że powłoka ceramiczna pełni lepszą funkcję ochronną i może poprawić odporność powłoki na korozję w neutralnym elektrolicie.
Po dodaniu do powłoki 0,2% mwnt-cooh-sdbs lub 0,2% grafenu, gęstość prądu korozyjnego spadła, rezystancja wzrosła, a odporność na korozję powłoki uległa dalszej poprawie, odpowiednio do 38,48% i 40,10% PE. Po pokryciu powierzchni powłoką z mieszanego tlenku glinu z 0,2% mwnt-cooh-sdbs i 0,2% grafenu, prąd korozyjnego zmniejszył się z 2,890 × 10-6 A/cm² do 1,536 × 10-6 A/cm², a maksymalna wartość rezystancji wzrosła z 11388 Ω do 28079 Ω, a PE w powłoce może osiągnąć 46,85%. Dowodzi to, że przygotowany produkt docelowy charakteryzuje się dobrą odpornością na korozję, a synergistyczne działanie nanorurek węglowych i grafenu może skutecznie poprawić odporność powłoki ceramicznej na korozję.
4. Wpływ czasu moczenia na impedancję powłoki
Aby dokładniej zbadać odporność powłoki na korozję, uwzględniając wpływ czasu zanurzenia próbki w elektrolicie na wynik testu, uzyskano krzywe zmian rezystancji czterech powłok przy różnym czasie zanurzenia, jak pokazano na rysunku 4.
Składać
W początkowej fazie zanurzenia (10 h), ze względu na dobrą gęstość i strukturę powłoki, elektrolit jest trudny do zanurzenia w niej. W tym momencie powłoka ceramiczna wykazuje wysoką rezystancję. Po pewnym czasie zanurzenia rezystancja znacznie spada, ponieważ wraz z upływem czasu elektrolit stopniowo tworzy kanały korozyjne w porach i pęknięciach powłoki, wnikając w matrycę, co powoduje znaczny spadek rezystancji powłoki.
W drugim etapie, gdy ilość produktów korozji wzrośnie do określonego poziomu, dyfuzja zostaje zablokowana, a szczelina stopniowo się zamyka. Jednocześnie, gdy elektrolit wnika w powierzchnię styku dolnej warstwy wiążącej/matrycy, cząsteczki wody reagują z pierwiastkiem Fe w matrycy na styku powłoki/matrycy, tworząc cienką warstwę tlenku metalu, która utrudnia penetrację elektrolitu do matrycy i zwiększa wartość rezystancji. Podczas elektrochemicznej korozji gołej metalowej matrycy, większość zielonego, kłaczkowatego osadu powstaje na dnie elektrolitu. Roztwór elektrolityczny nie zmienił koloru podczas elektrolizy próbki powlekanej, co może świadczyć o zajściu opisanej powyżej reakcji chemicznej.
Ze względu na krótki czas moczenia i duże wpływy czynników zewnętrznych, w celu uzyskania dokładnej zależności zmian parametrów elektrochemicznych, analizowano krzywe Tafela dla 19 i 19,5 godziny. Gęstość prądu korozji i rezystancja uzyskane za pomocą oprogramowania analitycznego zsimpwin przedstawiono w tabeli 2. Stwierdzono, że po moczeniu przez 19 godzin, w porównaniu z gołym podłożem, gęstość prądu korozji czystego tlenku glinu i powłoki kompozytowej z tlenku glinu zawierającej materiały nanododatkowe są mniejsze, a wartość rezystancji jest większa. Wartość rezystancji powłoki ceramicznej zawierającej nanorurki węglowe i powłoki zawierającej grafen jest prawie taka sama, podczas gdy struktura powłoki z nanorurek węglowych i materiałów kompozytowych grafenowych jest znacznie wzmocniona. Dzieje się tak, ponieważ synergistyczne działanie jednowymiarowych nanorurek węglowych i dwuwymiarowego grafenu poprawia odporność materiału na korozję.
Wraz ze wzrostem czasu zanurzenia (19,5 h) wzrasta rezystancja odsłoniętego podłoża, co wskazuje na drugi etap korozji i tworzenie się na jego powierzchni warstwy tlenku metalu. Podobnie, wraz z upływem czasu wzrasta rezystancja powłoki ceramicznej z czystego tlenku glinu, co wskazuje, że w tym momencie, pomimo spowolnienia powłoki ceramicznej, elektrolit wniknął w powierzchnię styku powłoki z matrycą i wytworzył warstwę tlenku w wyniku reakcji chemicznej.
W porównaniu z powłoką z tlenku glinu zawierającą 0,2% mwnt-cooh-sdbs, powłoką z tlenku glinu zawierającą 0,2% grafenu oraz powłoką z tlenku glinu zawierającą 0,2% mwnt-cooh-sdbs i 0,2% grafenu, rezystancja powłoki znacząco spadła wraz z upływem czasu, odpowiednio o 22,94%, 25,60% i 9,61%, co wskazuje, że elektrolit nie wniknął w tym czasie w połączenie między powłoką a podłożem. Dzieje się tak, ponieważ struktura nanorurek węglowych i grafenu blokuje penetrację elektrolitu w dół, chroniąc w ten sposób matrycę. Synergiczne działanie obu substancji zostało dodatkowo potwierdzone. Powłoka zawierająca dwa nanomateriały charakteryzuje się lepszą odpornością na korozję.
Na podstawie krzywej Tafela i krzywej zmian wartości impedancji elektrycznej stwierdzono, że powłoka ceramiczna z tlenku glinu z grafenem, nanorurkami węglowymi i ich mieszaniną może poprawić odporność na korozję matrycy metalowej, a synergistyczne działanie tych dwóch składników może dodatkowo poprawić odporność na korozję adhezyjnej powłoki ceramicznej. Aby dokładniej zbadać wpływ nanododatków na odporność powłoki na korozję, obserwowano mikromorfologię powierzchni powłoki po korozji.
Składać
Rysunek 5 (A1, A2, B1, B2) przedstawia morfologię powierzchni odsłoniętej stali nierdzewnej 304 i powlekanej ceramiki z czystego tlenku glinu w różnym powiększeniu po korozji. Rysunek 5 (A2) pokazuje, że powierzchnia po korozji staje się chropowata. W przypadku odsłoniętego podłoża, po zanurzeniu w elektrolicie na powierzchni pojawia się kilka dużych wżerów korozyjnych, co wskazuje na słabą odporność korozyjną odsłoniętej metalowej matrycy i łatwość wnikania elektrolitu w matrycę. W przypadku powłoki z czystego tlenku glinu, jak pokazano na rysunku 5 (B2), chociaż po korozji powstają porowate kanały korozyjne, stosunkowo gęsta struktura i doskonała odporność na korozję powłoki z czystego tlenku glinu skutecznie blokują wnikanie elektrolitu, co wyjaśnia przyczynę skutecznej poprawy impedancji powłoki z ceramiki z tlenku glinu.
Składać
Morfologia powierzchni powłok mwnt-cooh-sdbs, powłok zawierających 0,2% grafenu oraz powłok zawierających 0,2% mwnt-cooh-sdbs i 0,2% grafenu. Widać, że dwie powłoki zawierające grafen przedstawione na rysunku 6 (B2 i C2) mają płaską strukturę, wiązanie między cząsteczkami w powłoce jest ścisłe, a cząstki agregatu są ściśle owinięte klejem. Pomimo erozji powierzchni przez elektrolit, powstaje mniej kanałów porów. Po korozji powierzchnia powłoki jest gęsta i występuje niewiele struktur defektowych. Na rysunku 6 (A1, A2), ze względu na charakterystykę powłoki mwnt-cooh-sdbs, powłoka przed korozją ma równomierną strukturę porowatą. Po korozji pory pierwotnej części stają się wąskie i długie, a kanał pogłębia się. W porównaniu z rysunkiem 6 (B2, C2) struktura ma więcej defektów, co jest zgodne z rozkładem wielkości wartości impedancji powłoki uzyskanej z elektrochemicznego testu korozyjnego. Pokazuje to, że powłoka ceramiczna z tlenku glinu zawierająca grafen, a zwłaszcza mieszanina grafenu i nanorurek węglowych, charakteryzuje się najlepszą odpornością na korozję. Dzieje się tak, ponieważ struktura nanorurek węglowych i grafenu skutecznie blokuje dyfuzję pęknięć i chroni matrycę.
5. Dyskusja i podsumowanie
Na podstawie badania odporności korozyjnej nanorurek węglowych i dodatków grafenowych na powłoce ceramicznej z tlenku glinu oraz analizy mikrostruktury powierzchni powłoki wyciągnięto następujące wnioski:
(1) Po 19 godzinach korozji, po dodaniu hybrydowej powłoki ceramicznej z tlenku glinu składającej się z 0,2% nanorurek węglowych i 0,2% grafenu, gęstość prądu korozji wzrosła z 2,890 × 10-6 A/cm2 do 1,536 × 10-6 A/cm2, impedancja elektryczna wzrosła z 11388 Ω do 28079 Ω, a wydajność odporności na korozję osiągnęła najwyższą wartość 46,85%. W porównaniu z czystą powłoką ceramiczną z tlenku glinu, powłoka kompozytowa z grafenem i nanorurkami węglowymi ma lepszą odporność na korozję.
(2) Wraz ze wzrostem czasu zanurzenia elektrolitu, wnika on w powierzchnię styku powłoki z podłożem, tworząc warstwę tlenku metalu, która utrudnia wnikanie elektrolitu w podłoże. Impedancja elektryczna najpierw maleje, a następnie rośnie, a odporność na korozję powłoki ceramicznej z czystego tlenku glinu jest słaba. Struktura i synergia nanorurek węglowych i grafenu blokowały penetrację elektrolitu w dół. Po 19,5-godzinnym zanurzeniu impedancja elektryczna powłoki zawierającej nanomateriały spadła odpowiednio o 22,94%, 25,60% i 9,61%, a odporność powłoki na korozję była dobra.
6. Mechanizm wpływu na odporność powłoki na korozję
Na podstawie krzywej Tafela i krzywej zmian wartości impedancji elektrycznej stwierdzono, że powłoka ceramiczna z tlenku glinu z grafenem, nanorurkami węglowymi i ich mieszaniną może poprawić odporność na korozję matrycy metalowej, a synergistyczne działanie tych dwóch składników może dodatkowo poprawić odporność na korozję adhezyjnej powłoki ceramicznej. Aby dokładniej zbadać wpływ nanododatków na odporność powłoki na korozję, obserwowano mikromorfologię powierzchni powłoki po korozji.
Rysunek 5 (A1, A2, B1, B2) przedstawia morfologię powierzchni odsłoniętej stali nierdzewnej 304 i powlekanej ceramiki z czystego tlenku glinu w różnym powiększeniu po korozji. Rysunek 5 (A2) pokazuje, że powierzchnia po korozji staje się chropowata. W przypadku odsłoniętego podłoża, po zanurzeniu w elektrolicie na powierzchni pojawia się kilka dużych wżerów korozyjnych, co wskazuje na słabą odporność korozyjną odsłoniętej metalowej matrycy i łatwość wnikania elektrolitu w matrycę. W przypadku powłoki z czystego tlenku glinu, jak pokazano na rysunku 5 (B2), chociaż po korozji powstają porowate kanały korozyjne, stosunkowo gęsta struktura i doskonała odporność na korozję powłoki z czystego tlenku glinu skutecznie blokują wnikanie elektrolitu, co wyjaśnia przyczynę skutecznej poprawy impedancji powłoki z ceramiki z tlenku glinu.
Morfologia powierzchni powłok mwnt-cooh-sdbs, powłok zawierających 0,2% grafenu oraz powłok zawierających 0,2% mwnt-cooh-sdbs i 0,2% grafenu. Widać, że dwie powłoki zawierające grafen przedstawione na rysunku 6 (B2 i C2) mają płaską strukturę, wiązanie między cząsteczkami w powłoce jest ścisłe, a cząstki agregatu są ściśle owinięte klejem. Pomimo erozji powierzchni przez elektrolit, powstaje mniej kanałów porów. Po korozji powierzchnia powłoki jest gęsta i występuje niewiele struktur defektowych. Na rysunku 6 (A1, A2), ze względu na charakterystykę powłoki mwnt-cooh-sdbs, powłoka przed korozją ma równomierną strukturę porowatą. Po korozji pory pierwotnej części stają się wąskie i długie, a kanał pogłębia się. W porównaniu z rysunkiem 6 (B2, C2) struktura ma więcej defektów, co jest zgodne z rozkładem wielkości wartości impedancji powłoki uzyskanej z elektrochemicznego testu korozyjnego. Pokazuje to, że powłoka ceramiczna z tlenku glinu zawierająca grafen, a zwłaszcza mieszanina grafenu i nanorurek węglowych, charakteryzuje się najlepszą odpornością na korozję. Dzieje się tak, ponieważ struktura nanorurek węglowych i grafenu skutecznie blokuje dyfuzję pęknięć i chroni matrycę.
7. Dyskusja i podsumowanie
Na podstawie badania odporności korozyjnej nanorurek węglowych i dodatków grafenowych na powłoce ceramicznej z tlenku glinu oraz analizy mikrostruktury powierzchni powłoki wyciągnięto następujące wnioski:
(1) Po 19 godzinach korozji, po dodaniu hybrydowej powłoki ceramicznej z tlenku glinu składającej się z 0,2% nanorurek węglowych i 0,2% grafenu, gęstość prądu korozji wzrosła z 2,890 × 10-6 A/cm2 do 1,536 × 10-6 A/cm2, impedancja elektryczna wzrosła z 11388 Ω do 28079 Ω, a wydajność odporności na korozję osiągnęła najwyższą wartość 46,85%. W porównaniu z czystą powłoką ceramiczną z tlenku glinu, powłoka kompozytowa z grafenem i nanorurkami węglowymi ma lepszą odporność na korozję.
(2) Wraz ze wzrostem czasu zanurzenia elektrolitu, wnika on w powierzchnię styku powłoki z podłożem, tworząc warstwę tlenku metalu, która utrudnia wnikanie elektrolitu w podłoże. Impedancja elektryczna najpierw maleje, a następnie rośnie, a odporność na korozję powłoki ceramicznej z czystego tlenku glinu jest słaba. Struktura i synergia nanorurek węglowych i grafenu blokowały penetrację elektrolitu w dół. Po 19,5-godzinnym zanurzeniu impedancja elektryczna powłoki zawierającej nanomateriały spadła odpowiednio o 22,94%, 25,60% i 9,61%, a odporność powłoki na korozję była dobra.
(3) Ze względu na właściwości nanorurek węglowych, powłoka z dodatkiem samych nanorurek węglowych ma przed korozją równomiernie rozłożoną porowatą strukturę. Po korozji pory pierwotnego elementu stają się wąskie i długie, a kanały pogłębiają się. Powłoka zawierająca grafen ma płaską strukturę przed korozją, połączenie między cząsteczkami w powłoce jest gęste, a cząstki agregatu są ściśle owinięte klejem. Chociaż powierzchnia ulega erozji przez elektrolit po korozji, występuje niewiele kanałów porów, a struktura jest nadal gęsta. Struktura nanorurek węglowych i grafenu może skutecznie blokować rozprzestrzenianie się pęknięć i chronić matrycę.
Czas publikacji: 09-03-2022