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纳米CeO_2颗粒对镀锌层的改性工艺及其机理研究

骆心怡  
【摘要】: 镀锌是应用最广泛的防止钢铁材料腐蚀的有效措施。但随着环境中酸雨和风沙侵蚀的日益加重,不仅对镀锌层的耐蚀性提出了更高的要求,而且还要求镀锌层具有高的耐磨性。因此,研究和开发新型高耐蚀、高耐磨锌基镀层具有十分重要的意义。本文将纳米科技与电沉积锌和热浸镀锌技术相结合,基于稀土元素对提高镀锌层性能的特殊作用和我国稀土资源富有的国情,提出了采用纳米稀土氧化物CeO_2颗粒改性锌及锌铝合金镀层的构想,并对改性工艺及机理开展了深入系统的研究,为纳米锌基复合镀层的基础研究和产业化应用奠定了重要基础。 本文完成的主要工作和取得的成果如下: 1.采用复合电沉积工艺制备了纳米CeO_2颗粒呈单分散状态弥散分布的Zn-CeO_2纳米复合镀层,并利用电化学阻抗谱技术研究了复合电沉积过程的机理,发现纳米CeO_2颗粒的加入降低了反应的电荷传递电阻,更有利于锌的电沉积过程。 2.首次采用超声波辅助热浸镀方法成功地制备了Zn-CeO_2和Galfan-CeO_2纳米复合镀层,并利用TEM、XRD、SEM以及EDS等对其组织结构进行了表征,发现镀层中纳米CeO_2颗粒呈理想的单分散状态弥散分布;归纳了高能超声在热浸镀纳米颗粒增强锌基复合镀层中的作用机制。 3.首次深入系统地研究了中间体预制辅助热浸镀锌基纳米复合镀层的制备方法。采用高能球磨技术分别制备了纳米CeO_2/Zn、CeO_2/Al和CeO_2/Zn-5%Al复合粉末,利用TEM、XPS、XRD、SEM以及EDS等分析和表征了其组织结构,发现复合粉末中纳米CeO_2颗粒被很好地分散开且呈均匀弥散分布,提出了粉末的复合模型;采用真空热压技术将球磨得到的复合粉末制成纳米CeO_2颗粒呈单个弥散分布的复合材料块体,并利用正交试验对热压工艺参数进行了优化;将纳米CeO_2/Zn复合材料块体作为中间体加入热浸镀锌和Galfan合金镀液中对钢片进行热浸镀,成功地获得了单分散状态的纳米CeO_2颗粒弥散均匀分布在镀层基体上的Zn-CeO_2和Galfan-CeO_2纳米复合镀层。 4.系统地研究了纳米CeO_2颗粒对镀层耐腐蚀性、耐磨性、硬度、结合力及镀层钢丝拉伸强度等的影响规律,发现纳米CeO_2颗粒的加入显著提高了镀锌层的耐蚀性、显微硬度、耐磨性等。腐蚀失重法、阳极极化法以及电化学阻抗谱技术研究表明,改善镀层耐蚀性的效果与镀液中CeO_2颗粒尺寸、含量及分散情况等有关;冲蚀磨损试验研究表明,在一定范围内增加镀液中纳米CeO_2颗粒的含量,镀层的耐冲蚀磨损性能随之提高。 5.首次利用电化学阻抗谱方法并结合组织结构分析深入系统地研究了纳米CeO_2颗粒提高电沉积锌层、热浸镀锌和Galfan合金镀层耐蚀性的机理;探讨了CeO_2颗粒改善镀层耐磨性机理以及强化镀层的机制。为进一步全面提升锌基复合镀层的综合性能提供了理论依据。


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