1. Príprava náteru
Aby sa uľahčil neskorší elektrochemický test, ako základ sa zvolila nehrdzavejúca oceľ 304 s rozmermi 30 mm × 4 mm. Povrch substrátu sa vyleštil a odstránila zvyšková oxidová vrstva a škvrny od hrdze brúsnym papierom, vložil sa do kadičky obsahujúcej acetón, škvrny na povrchu substrátu sa ošetrili ultrazvukovým čističom bg-06c od spoločnosti Bangjie Electronics počas 20 minút, zvyšky opotrebenia z povrchu kovového substrátu sa odstránili alkoholom a destilovanou vodou a vysušili sa fúkačom. Potom sa pripravil oxid hlinitý (Al2O3), grafén a hybridná uhlíková nanotrubica (mwnt-coohsdbs) v pomere (100:0:0, 99,8:0,2:0, 99,8:0:0,2, 99,6:0,2:0,2) a vložil sa do guľového mlyna (qm-3sp2 z továrne na nástroje Nanjing NANDA) na mletie a miešanie. Rýchlosť otáčania guľového mlyna bola nastavená na 220 ot./min a guľový mlyn bol zapnutý na
Po mletí v guľovom mlyne sa po dokončení mletia v guľovom mlyne striedavo nastavuje rýchlosť otáčania nádrže na 1/2 a po dokončení mletia v guľovom mlyne sa striedavo nastavuje rýchlosť otáčania nádrže na 1/2. Keramické kamenivo a spojivo zmleté v guľovom mlyne sa rovnomerne zmiešajú v hmotnostnom podiele 1,0 ∶ 0,8. Nakoniec sa procesom vytvrdzovania získa adhezívny keramický povlak.
2. Skúška korózie
V tejto štúdii sa pri elektrochemickom teste korózie využíva elektrochemická pracovná stanica Shanghai Chenhua chi660e a test využíva trojelektródový testovací systém. Platinová elektróda je pomocná elektróda, strieborno-chloridová elektróda je referenčná elektróda a potiahnutá vzorka je pracovná elektróda s efektívnou expozičnou plochou 1 cm2. Referenčná elektróda, pracovná elektróda a pomocná elektróda sa pripájajú k prístroju v elektrolytickom článku, ako je znázornené na obrázkoch 1 a 2. Pred testom sa vzorka namočí do elektrolytu, ktorým je 3,5 % roztok NaCl.
3. Tafelova analýza elektrochemickej korózie povlakov
Obr. 3 znázorňuje Tafelovu krivku nepotiahnutého substrátu a keramického povlaku potiahnutého rôznymi nanoprísadami po elektrochemickej korózii počas 19 hodín. Údaje o korozívnom napätí, hustote korózneho prúdu a elektrickej impedancii získané z elektrochemickej koróznej skúšky sú uvedené v tabuľke 1.
Odoslať
Keď je hustota korózneho prúdu menšia a účinnosť koróznej odolnosti je vyššia, účinok koróznej odolnosti povlaku je lepší. Z obrázku 3 a tabuľky 1 je zrejmé, že pri čase korózie 19 hodín je maximálne korozívne napätie holej kovovej matrice -0,680 V a hustota korózneho prúdu matrice je tiež najväčšia a dosahuje 2,890 × 10-6 A/cm2. Pri povlakovaní keramickým povlakom z čistého oxidu hlinitého sa hustota korózneho prúdu znížila na 78 % a PE bol 22,01 %. To ukazuje, že keramický povlak zohráva lepšiu ochrannú úlohu a môže zlepšiť odolnosť povlaku proti korózii v neutrálnom elektrolyte.
Keď sa do povlaku pridalo 0,2 % mwnt-cooh-sdbs alebo 0,2 % grafénu, hustota korózneho prúdu sa znížila, odolnosť sa zvýšila a odolnosť povlaku proti korózii sa ďalej zlepšila s PE 38,48 %, respektíve 40,10 %. Keď je povrch potiahnutý povlakom zo zmesi oxidu hlinitého s obsahom 0,2 % mwnt-cooh-sdbs a 0,2 % grafénu, korózny prúd sa ďalej znížil z 2,890 × 10⁻⁶ A/cm2 na 1,536 × 10⁻⁶ A/cm2, maximálna hodnota odporu sa zvýšila z 11 388 Ω na 28 079 Ω a PE povlaku môže dosiahnuť 46,85 %. To ukazuje, že pripravený cieľový produkt má dobrú odolnosť proti korózii a synergický účinok uhlíkových nanorúrok a grafénu môže účinne zlepšiť odolnosť keramického povlaku proti korózii.
4. Vplyv doby namáčania na impedanciu povlaku
Pre ďalšie preskúmanie odolnosti povlaku proti korózii, berúc do úvahy vplyv času ponorenia vzorky do elektrolytu na skúšku, boli získané krivky zmeny odporu štyroch povlakov pri rôznych časoch ponorenia, ako je znázornené na obrázku 4.
Odoslať
V počiatočnej fáze ponorenia (10 h) je kvôli dobrej hustote a štruktúre povlaku elektrolyt ťažké ponoriť do povlaku. V tomto čase vykazuje keramický povlak vysokú odolnosť. Po určitom čase ponorenia sa odolnosť výrazne znižuje, pretože s postupom času elektrolyt postupne vytvára korózny kanál cez póry a trhliny v povlaku a preniká do matrice, čo vedie k výraznému zníženiu odolnosti povlaku.
V druhej fáze, keď sa množstvo produktov korózie zvýši na určité množstvo, difúzia sa zablokuje a medzera sa postupne upcháva. Zároveň, keď elektrolyt preniká do spojovacieho rozhrania medzi spodnou spojovacou vrstvou a matricou, molekuly vody reagujú s prvkom Fe v matrici na spoji povlak/matrica, čím vytvárajú tenký film oxidu kovu, ktorý bráni prenikaniu elektrolytu do matrice a zvyšuje hodnotu odporu. Keď je holá kovová matrica elektrochemicky korodovaná, väčšina zelenej vločkovitej zrazeniny sa vytvára na dne elektrolytu. Elektrolytický roztok pri elektrolýze povlakovanej vzorky nezmenil farbu, čo môže dokázať existenciu vyššie uvedenej chemickej reakcie.
Vzhľadom na krátky čas namáčania a veľké vonkajšie vplyvy boli s cieľom získať presný vzťah zmien elektrochemických parametrov analyzované Tafelove krivky po 19 hodinách a 19,5 hodinách. Hustota korózneho prúdu a odpor získané pomocou analytického softvéru zsimpwin sú uvedené v tabuľke 2. Zistilo sa, že pri namáčaní po dobu 19 hodín je v porovnaní s holým substrátom hustota korózneho prúdu čistého oxidu hlinitého a kompozitného povlaku z oxidu hlinitého s obsahom nanoprísad menšia a hodnota odporu je väčšia. Hodnota odporu keramického povlaku obsahujúceho uhlíkové nanotrubice a povlaku obsahujúceho grafén je takmer rovnaká, zatiaľ čo štruktúra povlaku s uhlíkovými nanotrubicami a grafénovými kompozitnými materiálmi je výrazne zvýšená. Je to preto, že synergický účinok jednorozmerných uhlíkových nanotrubíc a dvojrozmerného grafénu zlepšuje odolnosť materiálu proti korózii.
S predlžujúcim sa časom ponorenia (19,5 h) sa zvyšuje odolnosť holého substrátu, čo naznačuje, že sa nachádza v druhej fáze korózie a na povrchu substrátu sa vytvára oxidový film. Podobne sa s predlžujúcim sa časom zvyšuje aj odolnosť čistého keramického povlaku z oxidu hlinitého, čo naznačuje, že v tomto čase, hoci existuje spomaľovací účinok keramického povlaku, elektrolyt prenikol cez spojovacie rozhranie povlaku/matrice a chemickou reakciou vytvoril oxidový film.
V porovnaní s povlakom z oxidu hlinitého obsahujúcim 0,2 % mwnt-cooh-sdbs, povlakom z oxidu hlinitého obsahujúcim 0,2 % grafénu a povlakom z oxidu hlinitého obsahujúcim 0,2 % mwnt-cooh-sdbs a 0,2 % grafénu sa odolnosť povlaku s pribúdajúcim časom výrazne znížila, a to o 22,94 %, 25,60 % a 9,61 %, čo naznačuje, že elektrolyt v tomto čase neprenikol do spoja medzi povlakom a substrátom. Je to preto, že štruktúra uhlíkových nanorúrok a grafénu blokuje prenikanie elektrolytu smerom nadol, čím chráni matricu. Synergický účinok týchto dvoch látok je ďalej potvrdený. Povlak obsahujúci dva nanomateriály má lepšiu odolnosť proti korózii.
Prostredníctvom Tafelovej krivky a krivky zmeny hodnoty elektrickej impedancie sa zistilo, že aluminový keramický povlak s grafénom, uhlíkovými nanotrubicami a ich zmesou môže zlepšiť odolnosť kovovej matrice proti korózii a synergický účinok týchto dvoch zložiek môže ďalej zlepšiť odolnosť adhézneho keramického povlaku proti korózii. Pre ďalšie preskúmanie vplyvu nanoprísad na odolnosť povlaku proti korózii sa pozorovala mikromorfológia povrchu povlaku po korózii.
Odoslať
Obrázok 5 (A1, A2, B1, B2) znázorňuje morfológiu povrchu exponovanej nehrdzavejúcej ocele 304 a potiahnutej čistej aluminovej keramiky pri rôznom zväčšení po korózii. Obrázok 5 (A2) ukazuje, že povrch po korózii sa zdrsní. Na holom substráte sa po ponorení do elektrolytu objaví niekoľko veľkých koróznych jamiek, čo naznačuje, že odolnosť holej kovovej matrice proti korózii je nízka a elektrolyt ľahko preniká do matrice. V prípade čistej aluminovej keramiky, ako je znázornené na obrázku 5 (B2), hoci sa po korózii vytvárajú pórovité korózne kanáliky, relatívne hustá štruktúra a vynikajúca odolnosť čistej aluminovej keramiky proti korózii účinne blokujú prenikanie elektrolytu, čo vysvetľuje dôvod účinného zlepšenia impedancie aluminovej keramiky.
Odoslať
Povrchová morfológia mwnt-cooh-sdbs, povlakov obsahujúcich 0,2 % grafénu a povlakov obsahujúcich 0,2 % mwnt-cooh-sdbs a 0,2 % grafénu. Je vidieť, že dva povlaky obsahujúce grafén na obrázku 6 (B2 a C2) majú plochú štruktúru, väzba medzi časticami v povlaku je pevná a agregované častice sú pevne obalené lepidlom. Hoci je povrch erodovaný elektrolytom, vytvára sa menej pórovitých kanálikov. Po korózii je povrch povlaku hustý a je na ňom málo defektných štruktúr. Na obrázku 6 (A1, A2) má povlak pred koróziou v dôsledku charakteristík mwnt-cooh-sdbs rovnomerne rozloženú pórovitú štruktúru. Po korózii sa póry pôvodnej časti zužujú a predĺžia a kanálik sa prehĺbi. V porovnaní s obrázkom 6 (B2, C2) má štruktúra viac defektov, čo je v súlade s rozložením veľkosti hodnoty impedancie povlaku získanej z elektrochemického testu korózie. Ukazuje sa, že keramický povlak z oxidu hlinitého obsahujúci grafén, najmä zmes grafénu a uhlíkových nanorúrok, má najlepšiu odolnosť proti korózii. Je to preto, že štruktúra uhlíkových nanorúrok a grafénu dokáže účinne blokovať difúziu trhlín a chrániť matricu.
5. Diskusia a zhrnutie
Prostredníctvom testu odolnosti uhlíkových nanorúrok a grafénu na keramickom povlaku z oxidu hlinitého proti korózii a analýzy povrchovej mikroštruktúry povlaku sa dospelo k nasledujúcim záverom:
(1) Pri dobe korózie 19 hodín sa po pridaní 0,2 % hybridného uhlíkového nanotrubicového + 0,2 % grafénu do aluminokeramického povlaku zo zmesi materiálu hybridného uhlíkového nanotrubic + 0,2 % grafénu hustota korózneho prúdu zvýšila z 2,890 × 10⁻⁶ A/cm2 na 1,536 × 10⁻⁶ A/cm2, elektrická impedancia sa zvýšila z 11 388 Ω na 28 079 Ω a účinnosť odolnosti proti korózii bola najväčšia, 46,85 %. V porovnaní s čistým aluminokeramickým povlakom má kompozitný povlak s grafénom a uhlíkovými nanotrubicami lepšiu odolnosť proti korózii.
(2) S predlžujúcim sa časom ponorenia elektrolytu elektrolyt preniká do spoja medzi povlakom a substrátom a vytvára film oxidu kovu, ktorý bráni prenikaniu elektrolytu do substrátu. Elektrická impedancia sa najprv znižuje a potom zvyšuje, čo vedie k slabej odolnosti čistého keramického povlaku z oxidu hlinitého voči korózii. Štruktúra a synergia uhlíkových nanorúrok a grafénu blokujú prenikanie elektrolytu smerom nadol. Po 19,5 hodinách ponorenia sa elektrická impedancia povlaku obsahujúceho nanomateriály znížila o 22,94 %, 25,60 % a 9,61 % a odolnosť povlaku voči korózii bola dobrá.
6. Mechanizmus vplyvu na odolnosť povlaku proti korózii
Prostredníctvom Tafelovej krivky a krivky zmeny hodnoty elektrickej impedancie sa zistilo, že aluminový keramický povlak s grafénom, uhlíkovými nanotrubicami a ich zmesou môže zlepšiť odolnosť kovovej matrice proti korózii a synergický účinok týchto dvoch zložiek môže ďalej zlepšiť odolnosť adhézneho keramického povlaku proti korózii. Pre ďalšie preskúmanie vplyvu nanoprísad na odolnosť povlaku proti korózii sa pozorovala mikromorfológia povrchu povlaku po korózii.
Obrázok 5 (A1, A2, B1, B2) znázorňuje morfológiu povrchu exponovanej nehrdzavejúcej ocele 304 a potiahnutej čistej aluminovej keramiky pri rôznom zväčšení po korózii. Obrázok 5 (A2) ukazuje, že povrch po korózii sa zdrsní. Na holom substráte sa po ponorení do elektrolytu objaví niekoľko veľkých koróznych jamiek, čo naznačuje, že odolnosť holej kovovej matrice proti korózii je nízka a elektrolyt ľahko preniká do matrice. V prípade čistej aluminovej keramiky, ako je znázornené na obrázku 5 (B2), hoci sa po korózii vytvárajú pórovité korózne kanáliky, relatívne hustá štruktúra a vynikajúca odolnosť čistej aluminovej keramiky proti korózii účinne blokujú prenikanie elektrolytu, čo vysvetľuje dôvod účinného zlepšenia impedancie aluminovej keramiky.
Povrchová morfológia mwnt-cooh-sdbs, povlakov obsahujúcich 0,2 % grafénu a povlakov obsahujúcich 0,2 % mwnt-cooh-sdbs a 0,2 % grafénu. Je vidieť, že dva povlaky obsahujúce grafén na obrázku 6 (B2 a C2) majú plochú štruktúru, väzba medzi časticami v povlaku je pevná a agregované častice sú pevne obalené lepidlom. Hoci je povrch erodovaný elektrolytom, vytvára sa menej pórovitých kanálikov. Po korózii je povrch povlaku hustý a je na ňom málo defektných štruktúr. Na obrázku 6 (A1, A2) má povlak pred koróziou v dôsledku charakteristík mwnt-cooh-sdbs rovnomerne rozloženú pórovitú štruktúru. Po korózii sa póry pôvodnej časti zužujú a predĺžia a kanálik sa prehĺbi. V porovnaní s obrázkom 6 (B2, C2) má štruktúra viac defektov, čo je v súlade s rozložením veľkosti hodnoty impedancie povlaku získanej z elektrochemického testu korózie. Ukazuje sa, že keramický povlak z oxidu hlinitého obsahujúci grafén, najmä zmes grafénu a uhlíkových nanorúrok, má najlepšiu odolnosť proti korózii. Je to preto, že štruktúra uhlíkových nanorúrok a grafénu dokáže účinne blokovať difúziu trhlín a chrániť matricu.
7. Diskusia a zhrnutie
Prostredníctvom testu odolnosti uhlíkových nanorúrok a grafénu na keramickom povlaku z oxidu hlinitého proti korózii a analýzy povrchovej mikroštruktúry povlaku sa dospelo k nasledujúcim záverom:
(1) Pri dobe korózie 19 hodín sa po pridaní 0,2 % hybridného uhlíkového nanotrubicového + 0,2 % grafénu do aluminokeramického povlaku zo zmesi materiálu hybridného uhlíkového nanotrubic + 0,2 % grafénu hustota korózneho prúdu zvýšila z 2,890 × 10⁻⁶ A/cm2 na 1,536 × 10⁻⁶ A/cm2, elektrická impedancia sa zvýšila z 11 388 Ω na 28 079 Ω a účinnosť odolnosti proti korózii bola najväčšia, 46,85 %. V porovnaní s čistým aluminokeramickým povlakom má kompozitný povlak s grafénom a uhlíkovými nanotrubicami lepšiu odolnosť proti korózii.
(2) S predlžujúcim sa časom ponorenia elektrolytu elektrolyt preniká do spoja medzi povlakom a substrátom a vytvára film oxidu kovu, ktorý bráni prenikaniu elektrolytu do substrátu. Elektrická impedancia sa najprv znižuje a potom zvyšuje, čo vedie k slabej odolnosti čistého keramického povlaku z oxidu hlinitého voči korózii. Štruktúra a synergia uhlíkových nanorúrok a grafénu blokujú prenikanie elektrolytu smerom nadol. Po 19,5 hodinách ponorenia sa elektrická impedancia povlaku obsahujúceho nanomateriály znížila o 22,94 %, 25,60 % a 9,61 % a odolnosť povlaku voči korózii bola dobrá.
(3) Vďaka vlastnostiam uhlíkových nanorúrok má povlak s pridanými iba uhlíkovými nanorúrkami pred koróziou rovnomerne rozloženú pórovitú štruktúru. Po korózii sa póry pôvodnej časti zúžia a predĺžia a kanáliky sa prehĺbia. Povlak obsahujúci grafén má pred koróziou plochú štruktúru, kombinácia medzi časticami v povlaku je tesná a agregované častice sú pevne obalené lepidlom. Hoci je povrch po korózii erodovaný elektrolytom, pórovitých kanálikov je málo a štruktúra je stále hustá. Štruktúra uhlíkových nanorúrok a grafénu dokáže účinne blokovať šírenie trhlín a chrániť matricu.
Čas uverejnenia: 9. marca 2022