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涂层电化学和纳米力学参数对介质传递过程的响应

万通  
【摘要】:目前,有机涂层防护技术仍是金属防腐领域中最经济、最有效的措施之一。涂层劣化失效通常会造成金属设备的腐蚀,不仅会导致设备性能及使用寿命的下降,还可能引发环境污染等问题,更甚危及人们的生命财产安全。涂层劣化往往是由于腐蚀介质渗入到达金属基材表面并发生腐蚀反应造成的。因此,研究腐蚀介质在涂层中的扩散传递过程、以及影响该过程的客观因素,对评价有机涂层的防护效果及预测其使用寿命具有重要的实际意义。本论文首先研究了不同颜基比的有机涂层在不同的腐蚀环境中,涂层中介质渗入量、厚度、形貌随浸泡时间的变化规律;接着,研究了涂层电化学阻抗谱对腐蚀介质渗入的响应规律,并基于阻抗谱特征建立等效电路,研究了涂层电化学参数(等效电容、等效电阻)随浸泡时间的变化规律;第三,利用纳米压入技术,研究了涂层纳米力学参数(纳米硬度、纳米弹性模量)对腐蚀介质渗入的响应规律,得到了不同浸泡时期下腐蚀介质在涂层中的渗入深度;最后,通过建立有机涂层的理想扩散模型,研究了涂层电化学参数与纳米力学参数之间的关系,最终得到了有机涂层的寿命预测模型。结果表明:有机涂层的重量、厚度、等效电容和等效电阻对腐蚀介质在涂层中的扩散传递响应具有一定的一致性,均体现了该过程主要分为三个阶段:第一阶段涂层溶胀吸水占主导地位,由于腐蚀溶液介电常数远大于涂层组分介电常数,涂层电容值急剧增大;第二阶段涂层溶胀吸水与组分溶解达到动态平衡状态,体现为涂层重量、厚度、电化学参数等基本保持不变;第三阶段腐蚀介质渗入过程重回主导地位,涂层完全丧失对金属基材的防护作用。分析比较不同实验条件下各参数随浸泡时间的变化规律,颜基比1.8的有机涂层含有更多亲水性颜填料、城市环境中含有侵蚀性更强的双氧根离子,两者导致腐蚀介质在涂层中的渗入速率更快。纳米力学参数随浸泡时间以及压入深度的变化规律,说明了有机涂层纳米硬度和纳米弹性模量均会随腐蚀介质的渗入而降低,反映了涂层表层纳米力学性能对腐蚀介质渗入响应的敏感性。随后通过引入无因次量纳米硬度模量比,得到了腐蚀介质渗入深度及渗入速率随浸泡时间的变化规律。最后通过建立有机涂层理想扩散模型,得到了有机涂层电化学参数与纳米力学参数之间的关系。


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