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镁合金表面插层结构薄膜的制备及耐腐蚀性能研究

周孟  
【摘要】:镁合金具有密度低、比强度高、电磁屏蔽和抗辐射能力强等优点,在汽车、电子和航空航天领域具有广泛的应用前景。然而,较差的耐腐蚀性能大大限制了镁合金在工程领域的应用,因此提高镁合金的耐腐蚀性能是亟需解决的难题。目前,采用薄膜(涂层)防护的方法是改善基体耐腐蚀性能最有效的措施。传统铬转化膜可以提供很好的腐蚀防护效果,但是六价铬离子对生态环境和人类健康具有严重的威胁。因此,研发无铬防护技术是镁合金耐腐蚀技术发展的方向。插层结构材料以其构筑基元多样化和结构可调控性,成为近年来迅速发展的一类新型功能材料。其中,层状双金属氢氧化物(Layered Double Hydroxides,LDHs)作为典型的插层结构材料,在环境友好型耐蚀防护领域展现出极大的应用潜力。本论文利用水热合成技术在镁合金表面制备了不同类型LDHs薄膜,通过表面化学修饰、层间阴离子调控以及氧化石墨烯掺杂等方法来提高膜层的防护能力。借助扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、拉曼光谱仪(Raman)等分析手段对薄膜的微观形貌和物相组成进行了表征,利用电化学方法评价了薄膜的耐腐蚀性能。通过研究膜层耐腐蚀性能与层状结构之间的关系,探讨了膜层的超疏水、抗离子渗透以及自修复等性能对提高耐蚀性能的作用机理。本论文的主要研究成果如下:(1)通过控制成膜溶液的pH值和温度,在镁合金表面原位生长出具有不同微观形貌的Zn-Al LDHs薄膜。采用低表面能物质对鸟巢状Zn-Al LDHs薄膜进行化学改性后,Zn-Al LDHs薄膜获得了超疏水性能(接触角为165.5°)。根据Cassie-Baxter模型分析可得,超疏水薄膜表面仅仅有1.7%的液滴与基体表面接触。大气暴露100天后,Zn-Al LDHs超疏水薄膜的接触角仍保持在150°,表现出良好的稳定性。电化学测试结果表明:Zn-Al LDHs超疏水薄膜的腐蚀电流密度比镁合金基体的腐蚀电流密度降低了两个数量级,Zn-Al LDHs超疏水薄膜有效地提高了镁合金的耐腐蚀性能。(2)以Zn-Al(NO3)LDHs薄膜为前驱体材料,借助阴离子交换反应,在镁合金表面制备了 Zn-Al(Cl)LDHs薄膜。电化学测试结果表明,Zn-Al(Cl)LDHs薄膜有效提高了镁合金的耐腐蚀性能。依据相关结果分析可得,Zn-Al(Cl)LDHs薄膜对外界氯离子的阻隔效应是提高镁合金耐腐蚀性能的主要原因。(3)选择具有缓蚀效果的钒酸根作为客体阴离子,以Zn-Al(NO3)LDHs薄膜为前驱体材料,借助阴离子交换反应,在镁合金表面制备了 Zn-Al(VOx)LDHs薄膜。电化学测试结果表明,镁合金表面Zn-Al(VOx)LDHs薄膜的腐蚀电流密度降低了2个数量级。此外,得益于钒酸根多变的离子状态,表面划伤的Zn-Al(VOx)LDHs薄膜具有一定的自修复能力。(4)通过掺杂氧化石墨烯(GO),在镁合金表面原位制备了 RGO/Zn-Al LDHs复合薄膜,其中GO被同步还原为RGO,且RGO在RGO/Zn-Al LDHs复合薄膜中呈无序分布。借助于RGO自身抗渗透性、良好导电性及无序分布带来的迷宫效应,镁合金表面RGO/Zn-Al LDHs复合薄膜具有良好的耐腐蚀性能。电化学测试结果表明,RGO/Zn-Al LDHs复合薄膜使镁合金的腐蚀电流密度降低了 2个数量级。


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