1. Chuẩn bị lớp phủ
Để thuận tiện cho quá trình thử nghiệm điện hóa sau này, chúng tôi chọn thép không gỉ 304 30mm x 4mm làm đế. Đánh bóng và loại bỏ lớp oxit còn sót lại và các vết gỉ trên bề mặt đế bằng giấy nhám, cho chúng vào cốc thủy tinh có chứa axeton, 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, sau đó sấy khô bằng máy thổi. Sau đó, nhôm oxit (Al2O3), graphene và ống nano cacbon 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 đưa vào máy nghiền bi (qm-3sp2 của nhà máy thiết bị Nanjing NANDA) để nghiền bi và trộn. Tốc độ quay của máy nghiền bi được thiết lập ở mức 220 vòng/phút và máy nghiền bi được chuyển sang
Sau khi nghiền bi, đặt tốc độ quay của thùng nghiền bi là 1/2 lần luân phiên sau khi nghiền bi hoàn tất, và đặt tốc độ quay của thùng nghiền bi là 1/2 lần luân phiên sau khi nghiền bi hoàn tất. Cốt liệu gốm và chất kết dính nghiền bi được trộn đều theo tỷ lệ khối lượng 1,0 ∶ 0,8. Cuối cùng, lớp phủ gốm kết dính được thu được bằng quy trình đóng rắn.
2. Thử nghiệm ăn mòn
Trong nghiên cứu này, thử nghiệm ăn mòn điện hóa sử dụng trạm điện hóa Shanghai Chenhua chi660e, và thử 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 so sánh, và mẫu phủ là điện cực làm việc, với diện tích tiếp xúc hiệu dụng là 1cm². Kết nối điện cực so sánh, điện cực làm việc và điện cực phụ trong bình điện phân với thiết bị như minh họa trong Hình 1 và Hình 2. Trước khi thử nghiệm, ngâm mẫu trong dung dịch điện phân là dung dịch NaCl 3,5%.
3. Phân tích Tafel về ăn mòn điện hóa của lớp phủ
Hình 3 cho thấy đường cong Tafel của lớp nền không phủ và lớp phủ gốm được phủ các phụ gia nano khác nhau sau khi ăn mòn điện hóa trong 19 giờ. Dữ liệu thử nghiệm điện áp ăn mòn, mật độ dòng ăn mòn và trở kháng điện thu được từ thử nghiệm ăn mòn điện hóa được thể hiện trong Bảng 1.
Nộp
Khi mật độ dòng điện ăn mòn nhỏ hơn và hiệu suất 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, khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, điện áp ăn mòn cực đại 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 bằng lớp phủ 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 có tác dụng bảo vệ tốt hơn và có thể cải thiện khả năng chống ăn mòn của lớp phủ trong chất điện phân trung tính.
Khi thêm 0,2% mwnt-cooh-sdbs hoặc 0,2% graphene vào lớp phủ, mật độ dòng ăn mòn giảm, điện trở tăng và khả năng chống ăn mòn của lớp phủ được cải thiện hơn nữa, với PE lần lượt là 38,48% và 40,10%. Khi bề mặt được phủ 0,2% mwnt-cooh-sdbs và lớp phủ alumina hỗn hợp graphene 0,2%, dòng ăn mòn giảm hơn nữa từ 2,890 × 10-6 A / cm2 xuống còn 1,536 × 10-6 A / cm2, giá trị điện trở cực đại tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω và PE của lớp phủ có thể đạt 46,85%. Điều này cho thấy sản phẩm mục tiêu đã chuẩn bị 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 đến trở kháng lớp phủ
Để khám phá sâu hơn khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, xét đến ảnh hưởng của thời gian ngâm mẫu trong chất điện phân đối với thử nghiệm, đường cong thay đổi điện trở của bốn lớp phủ ở thời gian ngâm khác nhau được thu được, như thể hiện trong Hình 4.
Nộp
Ở giai đoạn ngâm ban đầu (10 giờ), do mật độ và cấu trúc lớp phủ tốt, chất điện phân khó ngấm 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, chất điện phân dần hình thành kênh ăn mòn qua các lỗ rỗng và vết nứt trên lớp phủ và thấm vào nền, dẫn đến điện trở của lớp phủ giảm đáng kể.
Ở giai đoạn thứ hai, khi các sản phẩm ăn mòn tăng lên đến một lượng nhất định, sự khuếch tán bị chặn lại và khe hở dần bị bịt kín. Đồng thời, khi chất điện phân thấm vào giao diện liên kết của lớp nền/ma trận liên kết dưới cùng, các phân tử nước sẽ phản ứng với nguyên tố Fe trong ma trận tại điểm nối lớp phủ/ma trận để tạo thành một lớp màng oxit kim loại mỏng, cản trở sự thâm nhập 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 bông màu xanh lá cây được tạo ra ở đáy chất điện phân. Dung dịch điện phân không đổi màu khi điện phân mẫu được phủ, điều này có thể chứng minh sự tồn tại của phản ứng hóa học trên.
Do thời gian ngâm ngắn và các yếu tố ảnh hưởng bên ngoài lớn, để có được mối quan hệ thay đổi chính xác hơn của các thông số điện hóa, các đường cong Tafel của 19 giờ và 19,5 giờ được phân tích. Mật độ dòng 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 ăn mòn của lớp phủ composite nhôm oxit nguyên chất và nhôm oxit 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 cacbon và lớp phủ chứa graphene gần như giống nhau, trong khi cấu trúc lớp phủ với ống nano cacbon và vật liệu composite graphene được tăng cường đáng kể. Điều này là do hiệu ứng hiệp đồng của ống nano cacbon một chiều và graphene hai chiều cải thiện khả năng chống ăn mòn của vật liệu.
Khi thời gian ngâm tăng lên (19,5 giờ), điện trở của vật liệu nền trần tăng lên, cho thấy vật liệu đang ở giai đoạn ăn mòn thứ hai và lớp màng oxit kim loại được hình thành trên bề mặt vật liệu nền. Tương tự, khi thời gian ngâm tăng lên, điện trở của lớp phủ gốm alumina nguyên chất cũng tăng lên, cho thấy tại thời điểm này, mặc dù lớp phủ gốm có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn, nhưng chất điện phân đã thấm vào bề mặt liên kết của lớp phủ/ma trận và tạo ra lớp màng oxit thông qua phản ứng hóa học.
So với lớp phủ alumina chứa 0,2% mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ alumina chứa 0,2% graphene và lớp phủ alumina chứa 0,2% mwnt-cooh-sdbs và 0,2% graphene, điện trở lớp phủ giảm đáng kể theo thời gian, lần lượt giảm 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 thâm nhập xuống của chất điện phân, do đó bảo vệ nền. Hiệu ứng hiệp đồng của cả hai được xác 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 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 cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm kết dính. Để tìm hiểu sâu hơn về ảnh hưởng của phụ gia nano đến khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, chúng tôi đã quan sát hình thái bề mặt vi mô của lớp phủ sau khi bị ăn mòn.
Nộp
Hình 5 (A1, A2, B1, B2) cho thấy hình thái bề mặt của thép không gỉ 304 lộ ra và gốm alumina nguyên chất được phủ ở các độ phóng đại khác nhau sau khi ăn mòn. Hình 5 (A2) cho thấy bề mặt sau khi ăn mòn trở nên nhám. Đối với nền trần, một số hố ăn mòn lớn xuất hiện trên bề mặt sau khi nhúng vào chất điện phân, cho thấy khả năng chống ăn mòn của nền kim loại trần kém và chất điện phân dễ thấm vào nền. 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, nhưng cấu trúc tương đối dày đặc và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của lớp phủ gốm alumina nguyên chất ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của chất 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 chặt chẽ và các hạt cốt liệu được bao bọc chặt chẽ bằng chất kết dính. Mặc dù bề mặt bị xói mòn bởi chất điện phân, nhưng ít kênh lỗ rỗng được hình thành hơn. Sau khi ăn mòn, bề mặt lớp phủ dày đặc và có ít cấu trúc khuyết tật. Đối với Hình 6 (A1, A2), do đặc điểm của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ trước khi ăn mòn là cấu trúc xốp phân bố 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, phù hợp với 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. Điều này là do cấu trúc của ống nano carbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ nền.
5. Thảo luận và tóm tắt
Thông qua thử nghiệm khả năng chống ăn mòn của ống nano carbon và phụ gia graphene trên lớp phủ gốm alumina và phân tích cấu trúc vi mô bề mặt của lớp phủ, có thể rút ra những kết luận sau:
(1) Khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, thêm 0,2% ống nano cacbon lai + 0,2% lớp phủ gốm alumina vật liệu hỗn hợp graphene, mật độ dòng ăn mòn tăng từ 2,890 × 10-6 A / cm2 xuống 1,536 × 10-6 A / cm2, trở kháng điện tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω và hiệu suất chống ăn mòn là lớn nhất, 46,85%. So với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, lớp phủ tổng hợp với graphene và ống nano cacbon có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
(2) Khi thời gian ngâm chất điện phân tăng lên, chất điện phân sẽ thẩm thấu vào bề mặt tiếp xúc của lớp phủ/chất nền, tạo thành màng oxit kim loại, cản trở sự thẩm thấu của chất điện phân vào chất nền. Trở kháng điện ban đầu giảm rồi tăng, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm nhôm nguyên chất kém. Cấu trúc và sự kết hợp của ống nano carbon và graphene đã ngăn chặn sự thẩm thấu xuống của chất điện phân. Sau 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%, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ là tốt.
6. Cơ chế ảnh hưởng đến 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 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 cải thiện hơn nữa khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm kết dính. Để tìm hiểu sâu hơn về ảnh hưởng của phụ gia nano đến khả năng chống ăn mòn của lớp phủ, chúng tôi đã quan sát hình thái bề mặt vi mô của lớp phủ sau khi bị ăn mòn.
Hình 5 (A1, A2, B1, B2) cho thấy hình thái bề mặt của thép không gỉ 304 lộ ra và gốm alumina nguyên chất được phủ ở các độ phóng đại khác nhau sau khi ăn mòn. Hình 5 (A2) cho thấy bề mặt sau khi ăn mòn trở nên nhám. Đối với nền trần, một số hố ăn mòn lớn xuất hiện trên bề mặt sau khi nhúng vào chất điện phân, cho thấy khả năng chống ăn mòn của nền kim loại trần kém và chất điện phân dễ thấm vào nền. 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, nhưng cấu trúc tương đối dày đặc và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời của lớp phủ gốm alumina nguyên chất ngăn chặn hiệu quả sự xâm nhập của chất 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 chặt chẽ và các hạt cốt liệu được bao bọc chặt chẽ bằng chất kết dính. Mặc dù bề mặt bị xói mòn bởi chất điện phân, nhưng ít kênh lỗ rỗng được hình thành hơn. Sau khi ăn mòn, bề mặt lớp phủ dày đặc và có ít cấu trúc khuyết tật. Đối với Hình 6 (A1, A2), do đặc điểm của mwnt-cooh-sdbs, lớp phủ trước khi ăn mòn là cấu trúc xốp phân bố 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, phù hợp với 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. Điều này là do cấu trúc của ống nano carbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ nền.
7. Thảo luận và tóm tắt
Thông qua thử nghiệm khả năng chống ăn mòn của ống nano carbon và phụ gia graphene trên lớp phủ gốm alumina và phân tích cấu trúc vi mô bề mặt của lớp phủ, có thể rút ra những kết luận sau:
(1) Khi thời gian ăn mòn là 19 giờ, thêm 0,2% ống nano cacbon lai + 0,2% lớp phủ gốm alumina vật liệu hỗn hợp graphene, mật độ dòng ăn mòn tăng từ 2,890 × 10-6 A / cm2 xuống 1,536 × 10-6 A / cm2, trở kháng điện tăng từ 11388 Ω lên 28079 Ω và hiệu suất chống ăn mòn là lớn nhất, 46,85%. So với lớp phủ gốm alumina nguyên chất, lớp phủ tổng hợp với graphene và ống nano cacbon có khả năng chống ăn mòn tốt hơn.
(2) Khi thời gian ngâm chất điện phân tăng lên, chất điện phân sẽ thẩm thấu vào bề mặt tiếp xúc của lớp phủ/chất nền, tạo thành màng oxit kim loại, cản trở sự thẩm thấu của chất điện phân vào chất nền. Trở kháng điện ban đầu giảm rồi tăng, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ gốm nhôm nguyên chất kém. Cấu trúc và sự kết hợp của ống nano carbon và graphene đã ngăn chặn sự thẩm thấu xuống của chất điện phân. Sau 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%, khả năng chống ăn mòn của lớp phủ là tốt.
(3) Do đặc tính của ống nano cacbon, lớp phủ chỉ bổ sung ống nano cacbon trước khi bị ăn mòn đã có cấu trúc lỗ xốp phân bố đều. Sau khi bị ăn mòn, các lỗ xốp của chi tiết ban đầu trở nên hẹp và dài hơn, các rãnh cũng sâu hơn. Lớp phủ chứa graphene trước khi bị ăn mòn có cấu trúc phẳng, sự kết hợp giữa các hạt trong lớp phủ chặt chẽ, các hạt cốt liệu được bao bọc chặt chẽ bằng keo. Mặc dù bề mặt bị ăn mòn bởi chất điện phân sau khi bị ăn mòn, nhưng các rãnh xốp ít hơn và cấu trúc vẫn còn đặc. Cấu trúc của ống nano cacbon và graphene có thể ngăn chặn hiệu quả sự lan truyền vết nứt và bảo vệ nền.
Thời gian đăng: 09-03-2022