1. Preparação do revestimento
Para facilitar o teste eletroquímico posterior, selecionou-se uma placa de aço inoxidável 304 de 30 mm × 4 mm como base. A superfície da placa foi polida e a camada residual de óxido e manchas de ferrugem removidas com lixa. Em seguida, a placa foi colocada em um béquer contendo acetona e tratada com um limpador ultrassônico BG-06C da empresa Bangjie Electronics por 20 minutos. Os resíduos de desgaste da superfície da placa metálica foram removidos com álcool e água destilada, e a placa foi seca com um soprador. Posteriormente, alumina (Al₂O₃), grafeno e nanotubos de carbono híbridos (MWNT-COOHSDBS) foram preparados nas proporções (100:0:0; 99,8:0,2:0; 99,8:0:0,2; 99,6:0,2:0,2) e colocados em um moinho de bolas (QM-3SP2 da fábrica de instrumentos Nanjing NANDA) para moagem e mistura. A velocidade de rotação do moinho de bolas foi ajustada para 220 rpm, e o moinho de bolas foi girado para
Após a moagem em moinho de bolas, a velocidade de rotação do tanque do moinho de bolas foi ajustada para 1/2 alternadamente após a conclusão da moagem. O agregado cerâmico moído e o aglomerante foram misturados homogeneamente na proporção de massa de 1,0:0,8. Finalmente, o revestimento cerâmico adesivo foi obtido por meio do processo de cura.
2. Teste de corrosão
Neste estudo, o teste de corrosão eletroquímica utiliza a estação de trabalho eletroquímica Shanghai Chenhua chi660e, e o teste adota um sistema de três eletrodos. O eletrodo de platina é o eletrodo auxiliar, o eletrodo de cloreto de prata é o eletrodo de referência e a amostra revestida é o eletrodo de trabalho, com uma área de exposição efetiva de 1 cm². Os eletrodos de referência, de trabalho e auxiliar são conectados à célula eletrolítica do instrumento, conforme mostrado nas Figuras 1 e 2. Antes do teste, a amostra é imersa no eletrólito, que é uma solução de NaCl a 3,5%.
3. Análise de Tafel da corrosão eletroquímica de revestimentos
A Figura 3 mostra a curva de Tafel do substrato sem revestimento e do revestimento cerâmico com diferentes nanoaditivos após corrosão eletroquímica por 19 horas. Os dados de tensão de corrosão, densidade de corrente de corrosão e impedância elétrica obtidos no teste de corrosão eletroquímica são apresentados na Tabela 1.
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Quando a densidade de corrente de corrosão é menor e a eficiência de resistência à corrosão é maior, o efeito de resistência à corrosão do revestimento é melhor. Pode-se observar na Figura 3 e na Tabela 1 que, quando o tempo de corrosão é de 19 h, a tensão máxima de corrosão da matriz metálica nua é de -0,680 V, e a densidade de corrente de corrosão da matriz também é a maior, atingindo 2,890 × 10⁻⁶ A/cm². Quando revestida com revestimento cerâmico de alumina pura, a densidade de corrente de corrosão diminuiu para 78% e a eficiência de proteção (PE) foi de 22,01%. Isso demonstra que o revestimento cerâmico desempenha um papel protetor melhor e pode melhorar a resistência à corrosão do revestimento em eletrólito neutro.
Quando 0,2% de mwnt-cooh-sdbs ou 0,2% de grafeno foram adicionados ao revestimento, a densidade de corrente de corrosão diminuiu, a resistência aumentou e a resistência à corrosão do revestimento foi ainda mais aprimorada, com PE de 38,48% e 40,10%, respectivamente. Quando a superfície foi revestida com um revestimento de alumina misto contendo 0,2% de mwnt-cooh-sdbs e 0,2% de grafeno, a corrente de corrosão foi ainda mais reduzida de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² para 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², o valor máximo de resistência aumentou de 11388 Ω para 28079 Ω e o PE do revestimento atingiu 46,85%. Isso demonstra que o produto alvo preparado possui boa resistência à corrosão e que o efeito sinérgico dos nanotubos de carbono e do grafeno pode melhorar efetivamente a resistência à corrosão do revestimento cerâmico.
4. Efeito do tempo de imersão na impedância do revestimento
Para explorar ainda mais a resistência à corrosão do revestimento, considerando a influência do tempo de imersão da amostra no eletrólito durante o teste, foram obtidas as curvas de variação da resistência dos quatro revestimentos em diferentes tempos de imersão, conforme mostrado na Figura 4.
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Na fase inicial de imersão (10 h), devido à boa densidade e estrutura do revestimento, o eletrólito encontra dificuldades para penetrar. Nesse momento, o revestimento cerâmico apresenta alta resistência. Após um período de imersão, a resistência diminui significativamente, pois, com o passar do tempo, o eletrólito forma gradualmente um canal de corrosão através dos poros e fissuras do revestimento, penetrando na matriz e resultando em uma redução considerável da resistência.
Na segunda etapa, quando os produtos de corrosão aumentam a uma certa quantidade, a difusão é bloqueada e o espaço entre os eletrodos é gradualmente obstruído. Ao mesmo tempo, quando o eletrólito penetra na interface de ligação entre a camada inferior e a matriz, as moléculas de água reagem com o ferro presente na matriz, na junção revestimento/matriz, formando uma fina película de óxido metálico. Essa película dificulta a penetração do eletrólito na matriz e aumenta a resistência. Quando a matriz metálica exposta é corroída eletroquimicamente, a maior parte do precipitado floculento esverdeado se forma no fundo do eletrólito. A solução eletrolítica não muda de cor quando a amostra revestida é submetida à eletrólise, o que comprova a ocorrência da reação química descrita.
Devido ao curto tempo de imersão e aos grandes fatores de influência externa, para obter uma relação de variação precisa dos parâmetros eletroquímicos, as curvas de Tafel de 19 h e 19,5 h foram analisadas. A densidade de corrente de corrosão e a resistência obtidas pelo software de análise zsimpwin são apresentadas na Tabela 2. Observa-se que, após 19 h de imersão, em comparação com o substrato sem revestimento, a densidade de corrente de corrosão da alumina pura e do revestimento composto de alumina contendo nanomateriais aditivos é menor, enquanto o valor da resistência é maior. O valor da resistência do revestimento cerâmico contendo nanotubos de carbono e do revestimento contendo grafeno é praticamente o mesmo, enquanto a estrutura do revestimento com nanotubos de carbono e grafeno apresenta uma resistência significativamente maior. Isso ocorre porque o efeito sinérgico dos nanotubos de carbono unidimensionais e do grafeno bidimensional melhora a resistência à corrosão do material.
Com o aumento do tempo de imersão (19,5 h), a resistência do substrato nu aumenta, indicando que ele se encontra no segundo estágio de corrosão e que uma película de óxido metálico é formada na superfície do substrato. De forma semelhante, com o aumento do tempo, a resistência do revestimento cerâmico de alumina pura também aumenta, indicando que, nesse momento, embora haja o efeito retardador do revestimento cerâmico, o eletrólito penetrou na interface de ligação revestimento/matriz e formou uma película de óxido por meio de reação química.
Comparado com o revestimento de alumina contendo 0,2% de mwnt-cooh-sdbs, o revestimento de alumina contendo 0,2% de grafeno e o revestimento de alumina contendo 0,2% de mwnt-cooh-sdbs e 0,2% de grafeno, a resistência do revestimento diminuiu significativamente com o aumento do tempo, com reduções de 22,94%, 25,60% e 9,61%, respectivamente. Isso indica que o eletrólito não penetrou na junção entre o revestimento e o substrato nesse momento. Isso ocorre porque a estrutura dos nanotubos de carbono e do grafeno bloqueia a penetração descendente do eletrólito, protegendo assim a matriz. O efeito sinérgico dos dois materiais é ainda mais comprovado. O revestimento contendo os dois nanomateriais apresenta melhor resistência à corrosão.
Através da curva de Tafel e da curva de variação da impedância elétrica, constatou-se que o revestimento cerâmico de alumina com grafeno, nanotubos de carbono e sua mistura pode melhorar a resistência à corrosão da matriz metálica, e o efeito sinérgico dos dois pode melhorar ainda mais a resistência à corrosão do revestimento cerâmico adesivo. Para explorar mais a fundo o efeito dos nanoaditivos na resistência à corrosão do revestimento, observou-se a morfologia da microsuperfície do revestimento após a corrosão.
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A Figura 5 (A1, A2, B1, B2) mostra a morfologia da superfície do aço inoxidável 304 exposto e da cerâmica de alumina pura revestida, em diferentes ampliações, após a corrosão. A Figura 5 (A2) mostra que a superfície após a corrosão torna-se rugosa. No substrato sem revestimento, várias cavidades de corrosão de grandes dimensões aparecem na superfície após a imersão no eletrólito, indicando que a resistência à corrosão da matriz metálica exposta é baixa e que o eletrólito penetra facilmente na matriz. Para o revestimento de cerâmica de alumina pura, como mostrado na Figura 5 (B2), embora canais de corrosão porosos sejam gerados após a corrosão, a estrutura relativamente densa e a excelente resistência à corrosão do revestimento de cerâmica de alumina pura bloqueiam eficazmente a invasão do eletrólito, o que explica a razão para a melhoria efetiva da impedância do revestimento de cerâmica de alumina.
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Morfologia da superfície de mwnt-cooh-sdbs, revestimentos contendo 0,2% de grafeno e revestimentos contendo 0,2% de mwnt-cooh-sdbs e 0,2% de grafeno. Pode-se observar que os dois revestimentos contendo grafeno na Figura 6 (B2 e C2) apresentam estrutura plana, a ligação entre as partículas no revestimento é forte e as partículas agregadas são firmemente envolvidas por adesivo. Embora a superfície seja erodida pelo eletrólito, poucos canais de poros são formados. Após a corrosão, a superfície do revestimento é densa e apresenta poucas estruturas defeituosas. Para a Figura 6 (A1, A2), devido às características do mwnt-cooh-sdbs, o revestimento antes da corrosão apresenta uma estrutura porosa uniformemente distribuída. Após a corrosão, os poros da parte original tornam-se estreitos e longos, e o canal se aprofunda. Comparado com a Figura 6 (B2, C2), a estrutura apresenta mais defeitos, o que está de acordo com a distribuição de tamanho do valor de impedância do revestimento obtido no teste de corrosão eletroquímica. Isso demonstra que o revestimento cerâmico de alumina contendo grafeno, especialmente a mistura de grafeno e nanotubos de carbono, apresenta a melhor resistência à corrosão. Isso ocorre porque a estrutura dos nanotubos de carbono e do grafeno consegue bloquear eficazmente a propagação de fissuras e proteger a matriz.
5. Discussão e resumo
Através do teste de resistência à corrosão de nanotubos de carbono e aditivos de grafeno em revestimento cerâmico de alumina e da análise da microestrutura da superfície do revestimento, as seguintes conclusões foram obtidas:
(1) Quando o tempo de corrosão foi de 19 h, a adição de um revestimento cerâmico de alumina com 0,2% de nanotubos de carbono híbridos e 0,2% de grafeno resultou em um aumento na densidade de corrente de corrosão de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² para 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², um aumento na impedância elétrica de 11388 Ω para 28079 Ω e um aumento na eficiência de resistência à corrosão de 46,85%. Comparado ao revestimento cerâmico de alumina pura, o revestimento composto com grafeno e nanotubos de carbono apresentou melhor resistência à corrosão.
(2) Com o aumento do tempo de imersão do eletrólito, este penetra na superfície de junção revestimento/substrato, formando uma película de óxido metálico que dificulta a penetração do eletrólito no substrato. A impedância elétrica primeiro diminui e depois aumenta, resultando em baixa resistência à corrosão do revestimento cerâmico de alumina pura. A estrutura e a sinergia dos nanotubos de carbono e do grafeno bloquearam a penetração descendente do eletrólito. Após 19,5 h de imersão, a impedância elétrica do revestimento contendo nanomateriais diminuiu 22,94%, 25,60% e 9,61%, respectivamente, e a resistência à corrosão do revestimento foi considerada boa.
6. Mecanismo de influência na resistência à corrosão do revestimento
Através da curva de Tafel e da curva de variação da impedância elétrica, constatou-se que o revestimento cerâmico de alumina com grafeno, nanotubos de carbono e sua mistura pode melhorar a resistência à corrosão da matriz metálica, e o efeito sinérgico dos dois pode melhorar ainda mais a resistência à corrosão do revestimento cerâmico adesivo. Para explorar mais a fundo o efeito dos nanoaditivos na resistência à corrosão do revestimento, observou-se a morfologia da microsuperfície do revestimento após a corrosão.
A Figura 5 (A1, A2, B1, B2) mostra a morfologia da superfície do aço inoxidável 304 exposto e da cerâmica de alumina pura revestida, em diferentes ampliações, após a corrosão. A Figura 5 (A2) mostra que a superfície após a corrosão torna-se rugosa. No substrato sem revestimento, várias cavidades de corrosão de grandes dimensões aparecem na superfície após a imersão no eletrólito, indicando que a resistência à corrosão da matriz metálica exposta é baixa e que o eletrólito penetra facilmente na matriz. Para o revestimento de cerâmica de alumina pura, como mostrado na Figura 5 (B2), embora canais de corrosão porosos sejam gerados após a corrosão, a estrutura relativamente densa e a excelente resistência à corrosão do revestimento de cerâmica de alumina pura bloqueiam eficazmente a invasão do eletrólito, o que explica a razão para a melhoria efetiva da impedância do revestimento de cerâmica de alumina.
Morfologia da superfície de mwnt-cooh-sdbs, revestimentos contendo 0,2% de grafeno e revestimentos contendo 0,2% de mwnt-cooh-sdbs e 0,2% de grafeno. Pode-se observar que os dois revestimentos contendo grafeno na Figura 6 (B2 e C2) apresentam estrutura plana, a ligação entre as partículas no revestimento é forte e as partículas agregadas são firmemente envolvidas por adesivo. Embora a superfície seja erodida pelo eletrólito, poucos canais de poros são formados. Após a corrosão, a superfície do revestimento é densa e apresenta poucas estruturas defeituosas. Para a Figura 6 (A1, A2), devido às características do mwnt-cooh-sdbs, o revestimento antes da corrosão apresenta uma estrutura porosa uniformemente distribuída. Após a corrosão, os poros da parte original tornam-se estreitos e longos, e o canal se aprofunda. Comparado com a Figura 6 (B2, C2), a estrutura apresenta mais defeitos, o que está de acordo com a distribuição de tamanho do valor de impedância do revestimento obtido no teste de corrosão eletroquímica. Isso demonstra que o revestimento cerâmico de alumina contendo grafeno, especialmente a mistura de grafeno e nanotubos de carbono, apresenta a melhor resistência à corrosão. Isso ocorre porque a estrutura dos nanotubos de carbono e do grafeno consegue bloquear eficazmente a propagação de fissuras e proteger a matriz.
7. Discussão e resumo
Através do teste de resistência à corrosão de nanotubos de carbono e aditivos de grafeno em revestimento cerâmico de alumina e da análise da microestrutura da superfície do revestimento, as seguintes conclusões foram obtidas:
(1) Quando o tempo de corrosão foi de 19 h, a adição de um revestimento cerâmico de alumina com 0,2% de nanotubos de carbono híbridos e 0,2% de grafeno resultou em um aumento na densidade de corrente de corrosão de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² para 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², um aumento na impedância elétrica de 11388 Ω para 28079 Ω e um aumento na eficiência de resistência à corrosão de 46,85%. Comparado ao revestimento cerâmico de alumina pura, o revestimento composto com grafeno e nanotubos de carbono apresentou melhor resistência à corrosão.
(2) Com o aumento do tempo de imersão do eletrólito, este penetra na superfície de junção revestimento/substrato, formando uma película de óxido metálico que dificulta a penetração do eletrólito no substrato. A impedância elétrica primeiro diminui e depois aumenta, resultando em baixa resistência à corrosão do revestimento cerâmico de alumina pura. A estrutura e a sinergia dos nanotubos de carbono e do grafeno bloquearam a penetração descendente do eletrólito. Após 19,5 h de imersão, a impedância elétrica do revestimento contendo nanomateriais diminuiu 22,94%, 25,60% e 9,61%, respectivamente, e a resistência à corrosão do revestimento foi considerada boa.
(3) Devido às características dos nanotubos de carbono, o revestimento contendo apenas nanotubos de carbono apresenta uma estrutura porosa uniformemente distribuída antes da corrosão. Após a corrosão, os poros da parte original tornam-se estreitos e longos, e os canais tornam-se mais profundos. O revestimento contendo grafeno apresenta uma estrutura plana antes da corrosão, a combinação entre as partículas no revestimento é próxima e as partículas agregadas são firmemente envolvidas por adesão. Embora a superfície seja erodida pelo eletrólito após a corrosão, existem poucos canais de poros e a estrutura ainda é densa. A estrutura de nanotubos de carbono e grafeno pode bloquear eficazmente a propagação de trincas e proteger a matriz.
Data da publicação: 09/03/2022