1. Pregătirea acoperirii
Pentru a facilita testul electrochimic ulterior, s-a selectat ca bază oțel inoxidabil 304 cu grosimea de 30 mm × 4 mm. Se lustruiesc și se îndepărtează stratul de oxid rezidual și petele de rugină de pe suprafața substratului cu șmirghel, se pun într-un pahar cu acetonă, se tratează petele de pe suprafața substratului cu un aparat de curățare cu ultrasunete bg-06c de la compania Bangjie Electronics timp de 20 de minute, se îndepărtează reziduurile de uzură de pe suprafața substratului metalic cu alcool și apă distilată și se usucă cu o suflantă. Apoi, s-au preparat alumină (Al2O3), grafen și nanotuburi de carbon hibride (mwnt-coohsdbs) în proporții (100: 0: 0, 99,8: 0,2: 0, 99,8: 0: 0,2, 99,6: 0,2: 0,2) și se pun într-o moară cu bile (qm-3sp2 de la fabrica de instrumente Nanjing NANDA) pentru măcinare și amestecare. Viteza de rotație a morii cu bile a fost setată la 220 R/min, iar moara cu bile a fost pornită la
După măcinarea cu bile, setați viteza de rotație a rezervorului de măcinare cu bile la 1/2 alternativ după finalizarea măcinării cu bile și setați viteza de rotație a rezervorului de măcinare cu bile la 1/2 alternativ după finalizarea măcinării cu bile. Agregatul ceramic măcinat cu bile și liantul sunt amestecate uniform în funcție de fracția de masă de 1,0 ∶ 0,8. În final, stratul ceramic adeziv a fost obținut prin procesul de întărire.
2. Test de coroziune
În acest studiu, testul de coroziune electrochimică utilizează stația de lucru electrochimică Shanghai Chenhua chi660e, iar testul adoptă un sistem de testare cu trei electrozi. Electrodul de platină este electrodul auxiliar, electrodul de clorură de argint este electrodul de referință, iar proba acoperită este electrodul de lucru, cu o suprafață de expunere efectivă de 1 cm2. Conectați electrodul de referință, electrodul de lucru și electrodul auxiliar în celula electrolitică cu instrumentul, așa cum se arată în Figurile 1 și 2. Înainte de test, imersați proba în electrolit, care este o soluție de NaCl 3,5%.
3. Analiza Tafel a coroziunii electrochimice a acoperirilor
Fig. 3 prezintă curba Tafel a substratului neacoperit și a acoperirii ceramice acoperite cu diferiți nanoaditivi după coroziunea electrochimică timp de 19 ore. Datele privind tensiunea de coroziune, densitatea curentului de coroziune și impedanța electrică obținute din testul de coroziune electrochimică sunt prezentate în Tabelul 1.
Trimite
Când densitatea curentului de coroziune este mai mică și eficiența rezistenței la coroziune este mai mare, efectul de rezistență la coroziune al acoperirii este mai bun. Se poate observa din Figura 3 și Tabelul 1 că atunci când timpul de coroziune este de 19 ore, tensiunea maximă de coroziune a matricei metalice goale este de -0,680 V, iar densitatea curentului de coroziune a matricei este, de asemenea, cea mai mare, ajungând la 2,890 × 10-6 A/cm2. Când este acoperită cu un strat ceramic de alumină pură, densitatea curentului de coroziune a scăzut la 78%, iar PE a fost de 22,01%. Acest lucru arată că acoperirea ceramică joacă un rol protector mai bun și poate îmbunătăți rezistența la coroziune a acoperirii în electrolit neutru.
Când la acoperire s-au adăugat 0,2% mwnt-cooh-sdbs sau 0,2% grafen, densitatea curentului de coroziune a scăzut, rezistența a crescut, iar rezistența la coroziune a acoperirii s-a îmbunătățit în continuare, cu un PE de 38,48%, respectiv 40,10%. Când suprafața este acoperită cu un strat de alumină mixtă de 0,2% mwnt-cooh-sdbs și 0,2% grafen, curentul de coroziune este redus în continuare de la 2,890 × 10-6 A/cm2 la 1,536 × 10-6 A/cm2, valoarea maximă a rezistenței crescând de la 11388 Ω la 28079 Ω, iar PE a acoperirii poate ajunge la 46,85%. Acest lucru arată că produsul țintă preparat are o bună rezistență la coroziune, iar efectul sinergic al nanotuburilor de carbon și al grafenului poate îmbunătăți eficient rezistența la coroziune a acoperirii ceramice.
4. Efectul timpului de înmuiere asupra impedanței acoperirii
Pentru a explora în continuare rezistența la coroziune a acoperirii, luând în considerare influența timpului de imersie a probei în electrolit asupra testului, se obțin curbele de modificare a rezistenței celor patru acoperiri la diferite timpi de imersie, așa cum se arată în Figura 4.
Trimite
În stadiul inițial de imersie (10 ore), datorită densității și structurii bune a stratului de acoperire, electrolitul este dificil de imersat în strat. În acest moment, stratul ceramic prezintă o rezistență ridicată. După o perioadă de imersie, rezistența scade semnificativ, deoarece, odată cu trecerea timpului, electrolitul formează treptat un canal de coroziune prin porii și fisurile stratului de acoperire și pătrunde în matrice, rezultând o scădere semnificativă a rezistenței stratului de acoperire.
În a doua etapă, când produșii de coroziune cresc până la o anumită cantitate, difuzia este blocată, iar spațiul este treptat blocat. În același timp, când electrolitul pătrunde în interfața de legare a stratului inferior/matricei de legare, moleculele de apă vor reacționa cu elementul Fe din matrice la joncțiunea acoperire/matrice pentru a produce o peliculă subțire de oxid metalic, care împiedică penetrarea electrolitului în matrice și crește valoarea rezistenței. Când matricea metalică goală este corodată electrochimic, cea mai mare parte a precipitațiilor floculente verzi se produce la baza electrolitului. Soluția electrolitică nu și-a schimbat culoarea la electroliza probei acoperite, ceea ce poate dovedi existența reacției chimice menționate mai sus.
Datorită timpului scurt de impregnare și factorilor externi de influență mari, pentru a obține în continuare o relație precisă de modificare a parametrilor electrochimici, au fost analizate curbele Tafel de 19 h și 19,5 h. Densitatea curentului de coroziune și rezistența obținute cu ajutorul software-ului de analiză zsimpwin sunt prezentate în Tabelul 2. Se poate observa că, la impregnarea timp de 19 h, comparativ cu substratul gol, densitatea curentului de coroziune a aluminei pure și a acoperirii compozite din alumină care conține materiale nanoaditive este mai mică, iar valoarea rezistenței este mai mare. Valoarea rezistenței acoperirii ceramice care conține nanotuburi de carbon și a acoperirii care conține grafen este aproape aceeași, în timp ce structura acoperirii cu nanotuburi de carbon și materiale compozite din grafen este semnificativ îmbunătățită. Acest lucru se datorează faptului că efectul sinergic al nanotuburilor de carbon unidimensionale și al grafenului bidimensional îmbunătățește rezistența la coroziune a materialului.
Odată cu creșterea timpului de imersie (19,5 h), rezistența substratului gol crește, indicând faptul că acesta se află în a doua etapă de coroziune și se formează o peliculă de oxid metalic pe suprafața substratului. În mod similar, odată cu creșterea timpului, crește și rezistența acoperirii ceramice din alumină pură, indicând faptul că în acest moment, deși există efectul de încetinire al acoperirii ceramice, electrolitul a penetrat interfața de legătură dintre acoperire și matrice și a produs o peliculă de oxid prin reacție chimică.
Comparativ cu acoperirea de alumină care conține 0,2% mwnt-cooh-sdbs, acoperirea de alumină care conține 0,2% grafen și acoperirea de alumină care conține 0,2% mwnt-cooh-sdbs și 0,2% grafen, rezistența acoperirii a scăzut semnificativ odată cu creșterea timpului, cu 22,94%, 25,60% și respectiv 9,61%, ceea ce indică faptul că electrolitul nu a pătruns în îmbinarea dintre acoperire și substrat în acest moment. Acest lucru se datorează faptului că structura nanotuburilor de carbon și a grafenului blochează penetrarea descendentă a electrolitului, protejând astfel matricea. Efectul sinergic al celor două este verificat în continuare. Acoperirea care conține două nanomateriale are o rezistență mai bună la coroziune.
Prin intermediul curbei Tafel și al curbei de variație a valorii impedanței electrice, s-a constatat că acoperirea ceramică de alumină cu grafen, nanotuburi de carbon și amestecul acestora poate îmbunătăți rezistența la coroziune a matricei metalice, iar efectul sinergic al celor două poate îmbunătăți și mai mult rezistența la coroziune a acoperirii ceramice adezive. Pentru a explora în continuare efectul nanoaditivilor asupra rezistenței la coroziune a acoperirii, a fost observată morfologia microsuprafeței acoperirii după coroziune.
Trimite
Figura 5 (A1, A2, B1, B2) prezintă morfologia suprafeței oțelului inoxidabil 304 expus și a ceramicii de alumină pură acoperite, la diferite măriri, după coroziune. Figura 5 (A2) arată că suprafața devine rugoasă după coroziune. În cazul substratului gol, apar mai multe gropi mari de coroziune pe suprafață după imersia în electrolit, indicând faptul că rezistența la coroziune a matricei metalice goale este slabă și că electrolitul pătrunde ușor în matrice. În cazul acoperirii ceramice de alumină pură, așa cum se arată în Figura 5 (B2), deși se generează canale poroase de coroziune după coroziune, structura relativ densă și rezistența excelentă la coroziune a acoperirii ceramice de alumină pură blochează eficient invazia electrolitului, ceea ce explică motivul îmbunătățirii eficiente a impedanței acoperirii ceramice de alumină.
Trimite
Morfologia suprafeței mwnt-cooh-sdbs, a acoperirilor care conțin 0,2% grafen și a acoperirilor care conțin 0,2% mwnt-cooh-sdbs și 0,2% grafen. Se poate observa că cele două acoperiri care conțin grafen din Figura 6 (B2 și C2) au o structură plată, legarea dintre particulele din acoperire este strânsă, iar particulele agregate sunt înfășurate strâns de adeziv. Deși suprafața este erodată de electrolit, se formează mai puține canale de pori. După coroziune, suprafața acoperirii este densă și există puține structuri cu defecte. Pentru Figura 6 (A1, A2), datorită caracteristicilor mwnt-cooh-sdbs, acoperirea înainte de coroziune este o structură poroasă distribuită uniform. După coroziune, porii piesei originale devin îngusti și lungi, iar canalul devine mai adânc. Comparativ cu Figura 6 (B2, C2), structura are mai multe defecte, ceea ce este în concordanță cu distribuția dimensională a valorii impedanței acoperirii obținută din testul de coroziune electrochimică. Se observă că stratul ceramic de alumină care conține grafen, în special amestecul de grafen și nanotuburi de carbon, are cea mai bună rezistență la coroziune. Acest lucru se datorează faptului că structura nanotuburilor de carbon și a grafenului poate bloca eficient difuzia fisurilor și poate proteja matricea.
5. Discuție și rezumat
Prin testul de rezistență la coroziune a nanotuburilor de carbon și a aditivilor de grafen pe acoperirea ceramică de alumină și analiza microstructurii de suprafață a acoperirii, se trag următoarele concluzii:
(1) Când timpul de coroziune a fost de 19 ore, prin adăugarea unui strat ceramic de alumină cu 0,2% nanotuburi de carbon hibride + 0,2% grafen, densitatea curentului de coroziune a crescut de la 2,890 × 10-6 A/cm2 la 1,536 × 10-6 A/cm2, impedanța electrică a crescut de la 11388 Ω la 28079 Ω, iar eficiența rezistenței la coroziune a fost cea mai mare, de 46,85%. Comparativ cu stratul ceramic de alumină pură, stratul compozit cu grafen și nanotuburi de carbon are o rezistență mai bună la coroziune.
(2) Odată cu creșterea timpului de imersie a electrolitului, electrolitul pătrunde în suprafața îmbinării dintre stratul de acoperire și substrat, producând o peliculă de oxid metalic, ceea ce împiedică penetrarea electrolitului în substrat. Impedanța electrică scade mai întâi, apoi crește, iar rezistența la coroziune a stratului ceramic de alumină pură este slabă. Structura și sinergia dintre nanotuburile de carbon și grafen au blocat penetrarea descendentă a electrolitului. După imersie timp de 19,5 ore, impedanța electrică a stratului de acoperire care conține nanomateriale a scăzut cu 22,94%, 25,60% și, respectiv, 9,61%, iar rezistența la coroziune a stratului de acoperire a fost bună.
6. Mecanismul de influență al rezistenței la coroziune a acoperirilor
Prin intermediul curbei Tafel și al curbei de variație a valorii impedanței electrice, s-a constatat că acoperirea ceramică de alumină cu grafen, nanotuburi de carbon și amestecul acestora poate îmbunătăți rezistența la coroziune a matricei metalice, iar efectul sinergic al celor două poate îmbunătăți și mai mult rezistența la coroziune a acoperirii ceramice adezive. Pentru a explora în continuare efectul nanoaditivilor asupra rezistenței la coroziune a acoperirii, a fost observată morfologia microsuprafeței acoperirii după coroziune.
Figura 5 (A1, A2, B1, B2) prezintă morfologia suprafeței oțelului inoxidabil 304 expus și a ceramicii de alumină pură acoperite, la diferite măriri, după coroziune. Figura 5 (A2) arată că suprafața devine rugoasă după coroziune. În cazul substratului gol, apar mai multe gropi mari de coroziune pe suprafață după imersia în electrolit, indicând faptul că rezistența la coroziune a matricei metalice goale este slabă și că electrolitul pătrunde ușor în matrice. În cazul acoperirii ceramice de alumină pură, așa cum se arată în Figura 5 (B2), deși se generează canale poroase de coroziune după coroziune, structura relativ densă și rezistența excelentă la coroziune a acoperirii ceramice de alumină pură blochează eficient invazia electrolitului, ceea ce explică motivul îmbunătățirii eficiente a impedanței acoperirii ceramice de alumină.
Morfologia suprafeței mwnt-cooh-sdbs, a acoperirilor care conțin 0,2% grafen și a acoperirilor care conțin 0,2% mwnt-cooh-sdbs și 0,2% grafen. Se poate observa că cele două acoperiri care conțin grafen din Figura 6 (B2 și C2) au o structură plată, legarea dintre particulele din acoperire este strânsă, iar particulele agregate sunt înfășurate strâns de adeziv. Deși suprafața este erodată de electrolit, se formează mai puține canale de pori. După coroziune, suprafața acoperirii este densă și există puține structuri cu defecte. Pentru Figura 6 (A1, A2), datorită caracteristicilor mwnt-cooh-sdbs, acoperirea înainte de coroziune este o structură poroasă distribuită uniform. După coroziune, porii piesei originale devin îngusti și lungi, iar canalul devine mai adânc. Comparativ cu Figura 6 (B2, C2), structura are mai multe defecte, ceea ce este în concordanță cu distribuția dimensională a valorii impedanței acoperirii obținută din testul de coroziune electrochimică. Se observă că stratul ceramic de alumină care conține grafen, în special amestecul de grafen și nanotuburi de carbon, are cea mai bună rezistență la coroziune. Acest lucru se datorează faptului că structura nanotuburilor de carbon și a grafenului poate bloca eficient difuzia fisurilor și poate proteja matricea.
7. Discuție și rezumat
Prin testul de rezistență la coroziune a nanotuburilor de carbon și a aditivilor de grafen pe acoperirea ceramică de alumină și analiza microstructurii de suprafață a acoperirii, se trag următoarele concluzii:
(1) Când timpul de coroziune a fost de 19 ore, prin adăugarea unui strat ceramic de alumină cu 0,2% nanotuburi de carbon hibride + 0,2% grafen, densitatea curentului de coroziune a crescut de la 2,890 × 10-6 A/cm2 la 1,536 × 10-6 A/cm2, impedanța electrică a crescut de la 11388 Ω la 28079 Ω, iar eficiența rezistenței la coroziune a fost cea mai mare, de 46,85%. Comparativ cu stratul ceramic de alumină pură, stratul compozit cu grafen și nanotuburi de carbon are o rezistență mai bună la coroziune.
(2) Odată cu creșterea timpului de imersie a electrolitului, electrolitul pătrunde în suprafața îmbinării dintre stratul de acoperire și substrat, producând o peliculă de oxid metalic, ceea ce împiedică penetrarea electrolitului în substrat. Impedanța electrică scade mai întâi, apoi crește, iar rezistența la coroziune a stratului ceramic de alumină pură este slabă. Structura și sinergia dintre nanotuburile de carbon și grafen au blocat penetrarea descendentă a electrolitului. După imersie timp de 19,5 ore, impedanța electrică a stratului de acoperire care conține nanomateriale a scăzut cu 22,94%, 25,60% și, respectiv, 9,61%, iar rezistența la coroziune a stratului de acoperire a fost bună.
(3) Datorită caracteristicilor nanotuburilor de carbon, acoperirea la care se adaugă doar nanotuburi de carbon are o structură poroasă distribuită uniform înainte de coroziune. După coroziune, porii piesei originale devin îngusti și lungi, iar canalele devin mai adânci. Acoperirea care conține grafen are o structură plată înainte de coroziune, combinația dintre particulele din acoperire este strânsă, iar particulele agregate sunt înfășurate strâns de adeziv. Deși suprafața este erodată de electrolit după coroziune, există puține canale ale porilor, iar structura este încă densă. Structura nanotuburilor de carbon și a grafenului poate bloca eficient propagarea fisurilor și poate proteja matricea.
Data publicării: 09 martie 2022