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镁合金表面超疏水膜层构筑及其防腐性能研究

高蕊  
【摘要】:镁合金是最重要的结构性金属材料之一,由于镁及镁合金具有重量轻、密度低、强度高、导热/电性良好以及铸造性能良好等优点,镁合金材料已经在航空航天、汽车工业、军事工业以及电子工业等领域得到应用。然而,由于镁合金材料的化学以及电化学反应活性较高,因此镁合金极易受到腐蚀的侵害,这严重的限制了镁合金在某些特殊条件下的应用。由于超疏水膜层能够阻止镁合金和腐蚀性水溶液介质间的接触,因此在镁合金基体表面上覆盖超疏水膜层是保护镁合金免受腐蚀侵蚀的一种有效方法,近年来,在镁合金基体表面构筑超疏水膜层并且探讨其抗腐蚀性能成为研究热点。本论文以镁合金作为研究对象,采用各种不同的合成方法(微波辅助合成法、水热合成法、溶液浸渍法)在镁合金基体上构筑了具有一定结构的超疏水膜层。通过SEM、TEM、XRD、FT-IR、XPS等分析测试手段对所制备的各种膜层产物的形貌、结构、组成以及与镁合金基体的结合情况等进行研究,并且分别采用电化学动电位极化测试法(IE)以及电化学交流阻抗测试法(EIS)对超疏水膜层的耐腐蚀性能进行分析。通过简单、快速的常压微波辅助合成法,在镁合金AZ31表面化学镀镍层的基础上,构筑了具有多级花状结构的氢氧化镍膜层,经过十七氟癸基三甲氧基硅烷修饰之后,所制备的多级结构氢氧化镍膜层具有较好的超疏水性能,其表面静态水接触角可以达到161°。超疏水膜层覆盖后镁合金AZ31的腐蚀电流降低了近3个数量级,并且其电荷转移电阻从 50.2Ωcm2 升高到了 9.302×103Ωcm2。通过水热合成法在镁合金AZ31表面原位构筑了具有多级结构的羟基磷灰石膜层,研究了反应温度以及反应时间对膜层表面形貌的影响,确定了水热反应温度为90℃、反应时间为6 h条件下所制备的羟基磷灰石膜层的形貌最佳各方面性能最好,对多级结构羟基磷灰石膜层的形成过程进行了初步的探讨。使用癸基膦酸对所制备的羟基磷灰石膜层进行表面修饰后,使得膜层表面静态水接触角升高至160°。电化学分析测试结果表明,超疏水膜层覆盖后镁合金的腐蚀电流密度从8.663×10-5 A/cm2降低至5.052×10-8 A/Ccm2,镁合金基体的腐蚀速率明显降低,电化学阻抗谱容抗弧半径升高了近三个数量级。并且,超疏水膜层覆盖的镁合金在3.5wt.%NaCl溶液中浸泡了 5天之后容抗弧半径依然可以保持在1×104Ω的数量级上。以双氧水为氧化剂采用水热合成法直接在镁合金AZ31基体表面上原位构筑了一种独特的单一球状颗粒结构的氢氧化镁膜层。在氢氧化镁膜层形成的过程中,过氧化氢所起到的作用:一方面加速镁合金表面氧化生成氢氧化镁膜层,另一方面过氧化氢分解产生的02气体会起到模板的作用使得所制备的氢氧化镁膜层呈现出独特的球状颗粒结构。在经过低表面能物质修饰之后,这种单一结构的氢氧化镁膜层展现出优异的超疏水性能,其表面静态水接触角可以达到164°。超疏水膜层能够使得镁合金基体的腐蚀电流密度下降4个数量级,同时,结合电化学交流阻抗测试结果可知超疏水膜层能够显著的减缓镁合金基体在腐蚀性介质中的腐蚀速率。通过无模板水热合成法在镁合金AZ31表面上构筑了具有多级结构的硼镁石膜层,所制备的硼镁石膜层具有一种独特的由许多组装在一起的纳米纤维形成微米级球状粒子的结构。通过SEM、TEM、XRD等表征手段对硼镁石膜层的形成过程进行研究,并且对多级结构的硼镁石膜层的形成过程机理进行了初步探讨。经十七氟癸基三甲氧基硅烷(氟硅烷FAS)修饰之后该硼镁石膜层显示出优异的超疏水性能,水热反应5 h的条件下可以得到疏水性能最好的膜层,其表面静态水接触角为166°,滚动角为2°。所制备的硼镁石超疏水膜层对镁合金基体的缓蚀率可以达到99.69%,并且超疏水镁合金在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡32天之后Nyquist谱图阻抗半圆弧的半径可以达到5×103Ω,其表面静态水接触角依然可以达到122°,说明所制备的超疏水膜层具有优异的耐久性。采用溶液浸渍法直接在Mg-Li合金表面上构筑了具有多级结构的超疏水膜层,通过EDS、XPS以及FT-IR分析测试手段确定了所制备的超疏水膜层的成分为Mg[CH3(CH2)7P03],并且对膜层的形成过程进行推断。所制备的超疏水膜层大大提高了Mg-Li合金的耐蚀性能。另外,超疏水膜层覆盖的Mg-Li合金试样在3.5 wt.%NaCl溶液中浸泡7天之后,其Bode图谱中低频区的阻抗模值依然可以达到1.2×104Ω,说明通过一步溶液浸渍法所制备的超疏水Mg-Li合金具有较好的耐久性。


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