1. Chuẩn bị lớp phủ
Để thuận tiện cho thử nghiệm điện hóa sau này, người ta chọn tấm thép không gỉ 304 kích thước 30mm × 4mm làm đế. Đánh bóng và loại bỏ lớp oxit dư và các vết rỉ sét trên bề mặt đế bằng giấy nhám, cho chúng vào cốc chứa acetone, xử lý các vết bẩn trên bề mặt đế bằng máy làm sạch siêu âm bg-06c của công ty điện tử Bangjie trong 20 phút, loại bỏ các mảnh vụn mài mòn trên bề mặt đế kim loại bằng cồn và nước cất, và làm khô bằng máy thổi khí. Sau đó, alumina (Al2O3), graphene và ống nano carbon lai (mwnt-coohsdbs) được chuẩn bị theo tỷ lệ (100: 0: 0, 99,8: 0,2: 0, 99,8: 0: 0,2, 99,6: 0,2: 0,2), và cho vào máy nghiền bi (qm-3sp2 của nhà máy dụng cụ Nanjing NANDA) để nghiền và trộn. Tốc độ quay của máy nghiền bi được đặt ở mức 220 vòng/phút, và máy nghiền bi được bật lên.
Sau khi nghiền bi, điều chỉnh tốc độ quay của bể nghiền bi luân phiên ở mức 1/2 sau khi quá trình nghiền bi hoàn tất. Trộn đều cốt liệu gốm đã nghiền bi và chất kết dính theo tỷ lệ khối lượng 1,0 : 0,8. Cuối cùng, thu được lớp phủ gốm kết dính bằng quá trình đóng rắn.
2. Thử nghiệm ăn mòn
Trong nghiên cứu này, thí nghiệm ăn mòn điện hóa sử dụng trạm làm việc điện hóa Shanghai Chenhua chi660e, và thí nghiệm sử dụng hệ thống thử nghiệm ba điện cực. Điện cực bạch kim là điện cực phụ, điện cực bạc clorua là điện cực tham chiếu, và mẫu được phủ là điện cực làm việc, với diện tích tiếp xúc hiệu quả là 1cm2. Kết nối điện cực tham chiếu, điện cực làm việc và điện cực phụ trong buồng điện phân với thiết bị, như thể hiện trong Hình 1 và 2. Trước khi thử nghiệm, ngâm mẫu trong dung dịch điện phân, là dung dịch NaCl 3,5%.
3. Phân tích Tafel về sự ăn mòn điện hóa của lớp phủ
Hình 3 thể hiện đường cong Tafel của chất nền không phủ và lớp phủ gốm được phủ bằng các chất phụ gia nano khác nhau sau quá trình ăn mòn điện hóa trong 19 giờ. Điện áp ăn mòn, mật độ dòng điện ăn mòn và dữ liệu kiểm tra trở kháng điện thu được từ thử nghiệm ăn mòn điện hóa được trình bày trong Bảng 1.
Nộp
Khi mật độ dòng điện ăn mòn nhỏ hơn và hiệu quả chống ăn mòn cao hơn, hiệu quả chống ăn mòn của lớp phủ sẽ tốt hơn. Có thể thấy từ Hình 3 và bảng 1 rằng khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, điện áp ăn mòn tối đa của nền kim loại trần là -0,680 V, và mật độ dòng điện ăn mòn của nền cũng lớn nhất, đạt 2,890 × 10-6 A/cm2. Khi được phủ lớp gốm alumina nguyên chất, mật độ dòng điện ăn mòn giảm xuống còn 78% và PE là 22,01%. Điều này cho thấy lớp phủ gốm đóng vai trò bảo vệ tốt hơn và có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp phủ trong dung dịch điện phân trung tính.
Khi thêm 0,2% mwnt-cooh-sdbs hoặc 0,2% graphene vào lớp phủ, mật độ dòng điện ăn mòn giảm, điện trở tăng, và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ được cải thiện hơn nữa, với hiệu suất PE lần lượt là 38,48% và 40,10%. Khi bề mặt được phủ lớp phủ alumina hỗn hợp 0,2% mwnt-cooh-sdbs và 0,2% graphene, dòng điện ăn mòn giảm hơn nữa từ 2,890 × 10-6 A/cm2 xuống còn 1,536 × 10-6 A/cm2, giá trị điện trở tối đa tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω, và hiệu suất PE của lớp phủ có thể đạt 46,85%. Điều này cho thấy sản phẩm mục tiêu được điều chế có khả năng chống ăn mòn tốt, và hiệu ứng hiệp đồng của ống nano carbon và graphene có thể cải thiện hiệu quả khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm.
4. Ảnh hưởng của thời gian ngâm lên trở kháng của lớp phủ
Để nghiên cứu sâu hơn về khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, có xét đến ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu trong dung dịch điện phân, các đường cong thay đổi điện trở của bốn lớp phủ ở các thời gian ngâm khác nhau được thu được, như thể hiện trong Hình 4.
Nộp
Ở giai đoạn ngâm ban đầu (10 giờ), do lớp phủ có mật độ và cấu trúc tốt, dung dịch điện phân khó thấm vào lớp phủ. Lúc này, lớp phủ gốm thể hiện điện trở cao. Sau khi ngâm một thời gian, điện trở giảm đáng kể, bởi vì theo thời gian, dung dịch điện phân dần dần tạo thành các kênh ăn mòn thông qua các lỗ rỗng và vết nứt trong lớp phủ và thấm vào ma trận, dẫn đến sự giảm đáng kể điện trở của lớp phủ.
Ở giai đoạn thứ hai, khi lượng sản phẩm ăn mòn tăng lên đến một mức nhất định, quá trình khuếch tán bị chặn và khe hở dần bị bít lại. Đồng thời, khi chất điện phân thấm vào giao diện liên kết giữa lớp nền/ma trận, các phân tử nước sẽ phản ứng với nguyên tố Fe trong ma trận tại điểm nối giữa lớp phủ và ma trận để tạo ra một lớp màng oxit kim loại mỏng, cản trở sự thấm của chất điện phân vào ma trận và làm tăng giá trị điện trở. Khi ma trận kim loại trần bị ăn mòn điện hóa, phần lớn kết tủa dạng bông màu xanh lục được tạo ra ở đáy chất điện phân. Dung dịch điện phân không đổi màu khi điện phân mẫu được phủ, điều này chứng tỏ sự tồn tại của phản ứng hóa học nêu trên.
Do thời gian ngâm ngắn và ảnh hưởng lớn từ các yếu tố bên ngoài, để có được mối quan hệ thay đổi chính xác hơn của các thông số điện hóa, đường cong Tafel ở thời gian ngâm 19 giờ và 19,5 giờ được phân tích. Mật độ dòng điện ăn mòn và điện trở thu được bằng phần mềm phân tích zsimpwin được thể hiện trong Bảng 2. Có thể thấy rằng khi ngâm trong 19 giờ, so với chất nền trần, mật độ dòng điện ăn mòn của alumina nguyên chất và lớp phủ composite alumina chứa vật liệu phụ gia nano nhỏ hơn và giá trị điện trở lớn hơn. Giá trị điện trở của lớp phủ gốm chứa ống nano carbon và lớp phủ chứa graphene gần như tương đương, trong khi cấu trúc lớp phủ với vật liệu composite ống nano carbon và graphene được cải thiện đáng kể. Điều này là do hiệu ứng hiệp đồng của ống nano carbon một chiều và graphene hai chiều giúp cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu.
Khi thời gian ngâm tăng lên (19,5 giờ), điện trở của chất nền trần tăng lên, cho thấy nó đang ở giai đoạn ăn mòn thứ hai và màng oxit kim loại được hình thành trên bề mặt chất nền. Tương tự, khi thời gian tăng lên, điện trở của lớp phủ gốm alumina nguyên chất cũng tăng lên, cho thấy rằng ở giai đoạn này, mặc dù có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn của lớp phủ gốm, nhưng chất điện phân đã thâm nhập vào giao diện liên kết giữa lớp phủ và chất nền, và tạo ra màng oxit thông qua phản ứng hóa học.
So sánh với lớp phủ alumina chứa 0,2% mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ alumina chứa 0,2% graphene và lớp phủ alumina chứa cả 0,2% mwnt-cooh-sdbs và 0,2% graphene, điện trở của lớp phủ giảm đáng kể theo thời gian, giảm lần lượt 22,94%, 25,60% và 9,61%, cho thấy chất điện phân không thấm vào mối nối giữa lớp phủ và chất nền tại thời điểm này. Điều này là do cấu trúc của ống nano carbon và graphene ngăn chặn sự thấm xuống của chất điện phân, do đó bảo vệ ma trận. Hiệu ứng hiệp đồng của hai vật liệu này được chứng minh thêm. Lớp phủ chứa hai vật liệu nano có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
Thông qua đường cong Tafel và đường cong biến thiên giá trị trở kháng điện, người ta nhận thấy rằng lớp phủ gốm alumina với graphene, ống nano carbon và hỗn hợp của chúng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của nền kim loại, và hiệu ứng hiệp đồng của hai thành phần này có thể tiếp tục nâng cao khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm kết dính. Để nghiên cứu sâu hơn về tác động của các chất phụ gia nano lên khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, hình thái vi mô bề mặt của lớp phủ sau khi bị ăn mòn đã được quan sát.
Nộp
Hình 5 (A1, A2, B1, B2) thể hiện hình thái bề mặt của thép không gỉ 304 tiếp xúc và lớp phủ gốm alumina nguyên chất ở các độ phóng đại khác nhau sau khi bị ăn mòn. Hình 5 (A2) cho thấy bề mặt sau khi ăn mòn trở nên gồ ghề. Đối với chất nền trần, một số vết ăn mòn lớn xuất hiện trên bề mặt sau khi ngâm trong dung dịch điện phân, cho thấy khả năng chống ăn mòn của ma trận kim loại trần kém và dung dịch điện phân dễ dàng xâm nhập vào ma trận. Đối với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, như thể hiện trong Hình 5 (B2), mặc dù các kênh ăn mòn xốp được tạo ra sau khi ăn mòn, cấu trúc tương đối đặc và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của lớp phủ gốm alumina nguyên chất đã ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của dung dịch điện phân, điều này giải thích lý do cải thiện hiệu quả trở kháng của lớp phủ gốm alumina.
Nộp
Hình thái bề mặt của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ chứa 0,2% graphene và lớp phủ chứa 0,2% mwnt-cooh-sdbs và 0,2% graphene. Có thể thấy rằng hai lớp phủ chứa graphene trong Hình 6 (B2 và C2) có cấu trúc phẳng, liên kết giữa các hạt trong lớp phủ rất chặt chẽ, và các hạt kết tụ được bao bọc chặt chẽ bởi chất kết dính. Mặc dù bề mặt bị ăn mòn bởi chất điện phân, nhưng ít kênh lỗ rỗng được hình thành. Sau khi ăn mòn, bề mặt lớp phủ trở nên đặc và có ít cấu trúc khuyết tật. Đối với Hình 6 (A1, A2), do đặc tính của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ trước khi ăn mòn là một cấu trúc xốp phân bố đồng đều. Sau khi ăn mòn, các lỗ rỗng của phần ban đầu trở nên hẹp và dài hơn, và kênh trở nên sâu hơn. So với Hình 6 (B2, C2), cấu trúc có nhiều khuyết tật hơn, điều này phù hợp với sự phân bố kích thước của giá trị trở kháng lớp phủ thu được từ thử nghiệm ăn mòn điện hóa. Điều này cho thấy lớp phủ gốm alumina chứa graphene, đặc biệt là hỗn hợp graphene và ống nano carbon, có khả năng chống ăn mòn tốt nhất. Nguyên nhân là do cấu trúc của ống nano carbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ chất nền.
5. Thảo luận và tóm tắt
Thông qua thử nghiệm khả năng chống ăn mòn của các chất phụ gia ống nano carbon và graphene trên lớp phủ gốm alumina và phân tích cấu trúc vi mô bề mặt của lớp phủ, các kết luận sau đây được rút ra:
(1) Khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, thêm lớp phủ gốm alumina hỗn hợp vật liệu lai gồm 0,2% ống nano carbon + 0,2% graphene, mật độ dòng điện ăn mòn tăng từ 2,890 × 10-6 A / cm2 xuống còn 1,536 × 10-6 A / cm2, trở kháng điện tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω, và hiệu suất chống ăn mòn đạt mức cao nhất là 46,85%. So với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, lớp phủ composite với graphene và ống nano carbon có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
(2) Khi thời gian ngâm dung dịch điện phân tăng lên, dung dịch điện phân thấm vào bề mặt tiếp xúc của lớp phủ/chất nền để tạo ra màng oxit kim loại, cản trở sự thấm của dung dịch điện phân vào chất nền. Trở kháng điện ban đầu giảm rồi tăng lên, và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm alumina nguyên chất kém. Cấu trúc và sự phối hợp của ống nano carbon và graphene đã ngăn chặn sự thấm xuống của dung dịch điện phân. Khi ngâm trong 19,5 giờ, trở kháng điện của lớp phủ chứa vật liệu nano giảm lần lượt 22,94%, 25,60% và 9,61%, và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tốt.
6. Cơ chế ảnh hưởng của khả năng chống ăn mòn của lớp phủ
Thông qua đường cong Tafel và đường cong biến thiên giá trị trở kháng điện, người ta nhận thấy rằng lớp phủ gốm alumina với graphene, ống nano carbon và hỗn hợp của chúng có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của nền kim loại, và hiệu ứng hiệp đồng của hai thành phần này có thể tiếp tục nâng cao khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm kết dính. Để nghiên cứu sâu hơn về tác động của các chất phụ gia nano lên khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, hình thái vi mô bề mặt của lớp phủ sau khi bị ăn mòn đã được quan sát.
Hình 5 (A1, A2, B1, B2) thể hiện hình thái bề mặt của thép không gỉ 304 tiếp xúc và lớp phủ gốm alumina nguyên chất ở các độ phóng đại khác nhau sau khi bị ăn mòn. Hình 5 (A2) cho thấy bề mặt sau khi ăn mòn trở nên gồ ghề. Đối với chất nền trần, một số vết ăn mòn lớn xuất hiện trên bề mặt sau khi ngâm trong dung dịch điện phân, cho thấy khả năng chống ăn mòn của ma trận kim loại trần kém và dung dịch điện phân dễ dàng xâm nhập vào ma trận. Đối với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, như thể hiện trong Hình 5 (B2), mặc dù các kênh ăn mòn xốp được tạo ra sau khi ăn mòn, cấu trúc tương đối đặc và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của lớp phủ gốm alumina nguyên chất đã ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của dung dịch điện phân, điều này giải thích lý do cải thiện hiệu quả trở kháng của lớp phủ gốm alumina.
Hình thái bề mặt của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ chứa 0,2% graphene và lớp phủ chứa 0,2% mwnt-cooh-sdbs và 0,2% graphene. Có thể thấy rằng hai lớp phủ chứa graphene trong Hình 6 (B2 và C2) có cấu trúc phẳng, liên kết giữa các hạt trong lớp phủ rất chặt chẽ, và các hạt kết tụ được bao bọc chặt chẽ bởi chất kết dính. Mặc dù bề mặt bị ăn mòn bởi chất điện phân, nhưng ít kênh lỗ rỗng được hình thành. Sau khi ăn mòn, bề mặt lớp phủ trở nên đặc và có ít cấu trúc khuyết tật. Đối với Hình 6 (A1, A2), do đặc tính của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ trước khi ăn mòn là một cấu trúc xốp phân bố đồng đều. Sau khi ăn mòn, các lỗ rỗng của phần ban đầu trở nên hẹp và dài hơn, và kênh trở nên sâu hơn. So với Hình 6 (B2, C2), cấu trúc có nhiều khuyết tật hơn, điều này phù hợp với sự phân bố kích thước của giá trị trở kháng lớp phủ thu được từ thử nghiệm ăn mòn điện hóa. Điều này cho thấy lớp phủ gốm alumina chứa graphene, đặc biệt là hỗn hợp graphene và ống nano carbon, có khả năng chống ăn mòn tốt nhất. Nguyên nhân là do cấu trúc của ống nano carbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ chất nền.
7. Thảo luận và tóm tắt
Thông qua thử nghiệm khả năng chống ăn mòn của các chất phụ gia ống nano carbon và graphene trên lớp phủ gốm alumina và phân tích cấu trúc vi mô bề mặt của lớp phủ, các kết luận sau đây được rút ra:
(1) Khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, thêm lớp phủ gốm alumina hỗn hợp vật liệu lai gồm 0,2% ống nano carbon + 0,2% graphene, mật độ dòng điện ăn mòn tăng từ 2,890 × 10-6 A / cm2 xuống còn 1,536 × 10-6 A / cm2, trở kháng điện tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω, và hiệu suất chống ăn mòn đạt mức cao nhất là 46,85%. So với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, lớp phủ composite với graphene và ống nano carbon có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
(2) Khi thời gian ngâm dung dịch điện phân tăng lên, dung dịch điện phân thấm vào bề mặt tiếp xúc của lớp phủ/chất nền để tạo ra màng oxit kim loại, cản trở sự thấm của dung dịch điện phân vào chất nền. Trở kháng điện ban đầu giảm rồi tăng lên, và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm alumina nguyên chất kém. Cấu trúc và sự phối hợp của ống nano carbon và graphene đã ngăn chặn sự thấm xuống của dung dịch điện phân. Khi ngâm trong 19,5 giờ, trở kháng điện của lớp phủ chứa vật liệu nano giảm lần lượt 22,94%, 25,60% và 9,61%, và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ tốt.
(3) Do đặc tính của ống nano carbon, lớp phủ chỉ có thêm ống nano carbon có cấu trúc xốp phân bố đồng đều trước khi bị ăn mòn. Sau khi bị ăn mòn, các lỗ xốp của phần ban đầu trở nên hẹp và dài hơn, và các kênh trở nên sâu hơn. Lớp phủ chứa graphene có cấu trúc phẳng trước khi bị ăn mòn, sự kết hợp giữa các hạt trong lớp phủ rất chặt chẽ, và các hạt kết tụ được bao bọc chặt chẽ bởi chất kết dính. Mặc dù bề mặt bị ăn mòn bởi chất điện phân sau khi bị ăn mòn, nhưng vẫn có ít kênh lỗ xốp và cấu trúc vẫn dày đặc. Cấu trúc của ống nano carbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ ma trận.
Thời gian đăng bài: 09/03/2022