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阳极氧化预处理铝基体新型涂层的制备及其海洋防腐防污功能的研究

刘通  
【摘要】:铝在有色金属的生产中产量居首位,而且价格适当、具有比重轻、比强高等优点,一直以来都是极其重要的研究课题。但由于其耐蚀性能差的缺点制约了其应用范围。所以,铝及其合金的防腐涂层的制备与应用一直受到各国学者的广泛研究。海水是腐蚀性很强的电解质,具有高Cl~-离子浓度、偏酸碱性、富集微生物等特点,对铝具有极强的腐蚀性。为了应对海洋开发的新形势,新要求,扩大铝在海洋中的应用范围,开发高效、无毒且具有不同功能性的新型耐腐蚀涂层,具有十分重要的意义,同时也会对铝在其他领域(如汽车、航天、铝替代铜等)中的进一步应用有着深远的影响。 本课题以铝为基体,采用阳极氧化作为预处理技术,在铝基体表面制备了不同功能性的防腐蚀涂层,包括超疏水涂层、氧化钛涂层和自愈合涂层。 系统地研究了铝基体阳极氧化过程中氧化电压、氧化电流、氧化次数、氧化时间、电解液、化学抛光等对多孔结构几何尺寸、有序性的影响;并对阳极氧化过程中微孔萌生、生长过程机理进行了研究。通过对不同工艺参数下制备的多孔氧化铝的形貌进行比较、分析,确定了高效可控的阳极氧化工艺:硫酸电解液恒电流阳极氧化、草酸电解液恒电流二次阳极氧化。制备了适合不同功能性防腐蚀涂层的阳极氧化铝多孔结构,并通过原子力显微镜、扫描电镜等手段对多孔氧化铝表面形貌进行表征。 采用浸渍自组装的方法,在多孔氧化铝表面制备了超疏水防腐蚀涂层。利用原子力显微镜,扫描电镜分析,接触角测量等测试手段对涂层的形貌结构及超疏水性进行了表征。并通过电化学手段对超疏水涂层的抗海水腐蚀能力进行评测,经动电位极化曲线和电化学阻抗谱分析得出,超疏水涂层的存在,有效阻止了海水对于金属铝表面的侵蚀。通过静态挂片实验考察了在优势菌种(假单胞菌)环境中,超疏水涂层的防污损性能。进而通过扫面电镜观察与电化学分析,证明了具有超疏水性的涂层可明显抑制海洋微生物对铝基体的污损腐蚀。 为了解决无机溶胶凝胶涂层在热处理过程中易开裂的问题,开发了将纳米氧化钛溶胶微粒注入阳极氧化铝微孔中的涂层工艺——真空浸渍涂覆,在铝基体表面构造了多孔氧化铝与氧化钛的复合涂层。通过扫面电镜的观察,氧化钛在氧化铝微孔中形成一维纳米线,并与表层氧化钛层构成钉状结构,使该涂层具有比普通浸渍的氧化钛溶胶凝胶涂层更好的致密性与稳定性。电化学测试也证明该涂层在无菌海水中具有良好的抗腐蚀性能。紫外反射谱说明这种特殊结构的涂层可以提高TiO_2光催化活性。抑菌试验也证明该涂层具有较好的抑菌性能。 为了进一步提高铝基体表面涂层耐蚀的持久性,采用真空浸渍、逐层涂覆的方法在阳极氧化预处理的表面构造了具有自愈合性能的涂层。通过真空浸渍的方法将8-羟基喹啉(8HQ)缓蚀剂注入氧化铝微孔中,再逐层涂覆(layer-by-layer)聚乙烯亚胺(PEI),聚苯乙烯磺酸(PSS)聚电解质,构成微胶囊/逐层涂覆的涂层体系。通过扫描电镜、原子力显微镜分析了自愈合涂层的结构和成膜机理。并采取破坏性试验测试了涂层的自愈合效果。试验结果表明,当外层聚电解质层被机械破坏后,注入氧化铝微孔中的8HQ会释放出来,阻止破坏区域的腐蚀进一步加剧,起到自愈合的效果。这种涂层体系的设计也为构造其他特殊功能性涂层提供了新的思路。


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