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      超滑表面在合金防腐蝕方面的研究

      2022-12-20

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      防腐蝕機理

      目前公認的超滑表面防腐蝕機理為:注入到超滑表面微納米結構的潤滑液在基體表面形成一層連續的動態液膜。該液膜阻礙了基體表面與腐蝕性介質(與微納米結構中的潤滑液不相容)的直接接觸,從而阻礙電子從陽極到陰極的轉移,提高了金屬的耐腐蝕蝕能力;同時該液膜還可阻礙了微生物與基體的直接接觸,有效抑制微生物附著,防止發生微生物腐蝕。

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      在合金防腐蝕方面的應用研究

      碳鋼及不銹鋼

      碳鋼是管道中最常用的金屬材料,在油氣勘探、生產和運輸中起著重要作用。據統計,天然氣管道事故中約有25%是由腐蝕造成的。

      針對這種情況,SOUSA等將碳鋼作為基體,利用電化學沉積法在草酸溶液中制備出微納米表層紋理,然后用檸檬酸溶液進行改性,最后注入氟素潤滑油,從而制備了含有碳、磷元素層狀/纖維狀超滑表面。結果表明:超滑表面、無涂層碳鋼板、官能化處理的疏水表面在模擬近海地層鹽水的陰離子溶液中浸泡40小時后,只有超滑表面未發現明顯的腐蝕產物,超滑表面的耐腐蝕性能最優,可以對基體起到很好的保護作用;同時,超滑表面能使碳鋼的自腐蝕電位從-620 mV提高到-438 mV,表明超滑表面具有更低的腐蝕趨勢。

      為解決涂層與基體結合力弱的問題,XIANG等采用電鍍法結合化學置換反應通過氟系潤滑油填充,在碳鋼基板上制備出粗糙多孔的超滑表面,在室溫下采用電化學手段分別測試了無涂層碳鋼、超疏水表面、超滑表面在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能。結果發現,超滑表面不僅使碳鋼的自腐蝕電位提高了360 mV,而且使碳鋼的阻抗值提高了4個數量級,比超疏水表面對碳鋼阻抗值的提高仍高出1個數量級。另外,通過長期的電化學監測發現:超滑表面比超疏水表面表現出更優異的耐久性和化學穩定性。OUYANG等利用電沉積法在不銹鋼基體上制備了具有分層三角形結構的超滑表面。電化學阻抗譜測試結果表明:超滑表面在天然海水中的阻抗值比無涂層不銹鋼的阻抗值提高了3個數量級,即使在天然海水中浸泡32天后,超滑表面仍具有出色的耐海水腐蝕能力。

      結垢和腐蝕是材料在海洋環境中服役必須應對的關鍵問題。對此,YANG等以低合金鋼為基體,在混合溶液中用電化學沉積法制備出火山狀的微納米表層結構,再注入氟系潤滑油形成超滑表面。結果表明,經過3.5%NaCl溶液長期浸泡后,無涂層的低合金鋼在浸泡3天后表面就出現了嚴重的腐蝕,而被超滑表面保護的低合金鋼浸泡10天后表面仍未發生腐蝕,超滑表面顯著增強了低合金鋼的耐腐蝕性能。

      銅合金

      銅合金具有優異的導電、導熱和力學性能,廣泛應用于海洋、軍事等領域,但在海水、酸性、堿性等環境中容易被腐蝕。

      SHI等利用氯化銅、氫氧化鈉、硫酸銨等試劑對銅箔進行氧化處理使其表面形成納米級針狀氫氧化銅,然后用混合十二烷硫醇的乙醇溶液進行改性,最后注入全氟潤滑劑獲得超滑表面。用掃描開爾文探針研究了該銅箔和超滑表面的電勢變化,結果表明:從銅箔到超滑表面,電勢實現了從-850 mV到-500 mV的躍遷,說明超滑表面極大地改善了銅箔的耐腐蝕性能。同時,即使在海水中浸泡768小時,超滑表面的阻抗值仍比銅箔大2個數量級,證明超滑表面可實現對銅基體的長效保護。

      QIU等通過化學氣相沉積技術和電化學沉積法,將微/納米級樹狀晶體沉積到銅表面,構筑了碳纖維納米結構,注入全氟化潤滑劑后形成超滑表面。通過電化學阻抗譜研究了超滑表面在3.5%NaCl溶液中的耐久性和耐腐蝕性能,結果發現,超滑表面的阻抗值比裸銅表面提高了3個數量級,這表明超滑表面為鋼基體提供了良好的防護屏障,防止腐蝕性介質的滲透。

      鋁合金

      鋁合金因強度高、耐熱性能好等優點,被廣泛應用于電子等領域,但鋁制電子元器件在介質中容易被腐蝕,其耐蝕性不佳成為阻礙電子元器件高質量發展的重要原因。超滑表面是提高鋁合金耐腐蝕性能的有效途徑之一。

      TUO等采用化學刻蝕加水熱法在鋁箔表面制備了花狀微納米結構,經乙醇改性后注入氟素潤滑劑形成超滑表面,然后在3.5%NaCl溶液中進行了極化曲線、電化學阻抗譜測試。結果表明:制備的超滑表面的腐蝕電流密度比鋁合金基材、超疏水表面低約2個數量級,即使在3.5%NaCl水溶液中浸泡15天,超滑表面的阻抗值仍然大于浸泡初期的鋁合金基材,這說明超滑表面對鋁合金基體有很好的保護作用。

      YUAN等用混合溶液噴涂法在鋁基板上制備了蜂窩狀多孔表面,然后將二甲基硅油注入多孔涂層形成超滑表面。研究發現:在3.5%NaCl溶液中浸泡10天后,超滑表面的阻抗值幾乎保持不變,同時超滑表面還可以穩定界面的電荷轉移電阻,形成無瑕疵或缺陷少的結構,從而有效防止基材腐蝕。

      鎂合金

      鎂合金是先進的輕質結構材料,已廣泛應用于航空航、汽車和電子工業,但它極易發生電化學反應而加速腐蝕,許多研究者致力于改善鎂合金的耐腐蝕性能。

      JOO等采用等離子體電解氧化和水熱法在鎂合金基板上制備了納米多孔氫氧化物表面結構,再經過改性和潤滑油浸潤后構建了超滑表面。結果表明:在3.5%NaCl溶液中,該超滑表面可顯著增強鎂合金的耐腐蝕性能,其腐蝕電流密度比鎂合金基體降低了5個數量級。

      JIANG等利用混合全氟癸基三乙氧基硅烷的乙醇溶液和全氟聚醚潤滑油對電解氧化的鎂合金基板進行改性,制備了一種可自我修復的巢狀超滑表面。結果發現:在3.5%NaCl溶液中,超滑表面的腐蝕電流密度比鎂合金基板降低了5個數量級,且在3.5%NaCl溶液中浸泡20天后,超滑表面仍未發生腐蝕。超滑表面能極大改善鎂合金的耐腐蝕性能,促進鎂合金多功能耐腐蝕系統的發展。

      鋅合金

      鋅由于具有大的能量容量和經濟優勢,被廣泛用作電池的負極活性物質,但鋅合金在堿性環境中極易發生腐蝕。

      QIU等采用電沉積-氧化在鋅合金表面制備了納米級氫氧化銅束簇結構,經表面改性后注入全氟潤滑油構成超滑表面,然后分別在天然海水和硫酸鹽還原菌溶液中用電化學方法研究其耐腐蝕性能。結果表明:超滑表面在天然海水中的腐蝕電流密度比鋅合金小3個數量級,同時超滑表面在硫酸鹽還原菌溶液中浸泡6天后仍比鋅合金的阻抗值大2個數量級。這表明超滑表面可以在海水中長時間抑制金屬腐蝕,同時還可有效抑制微生物腐蝕。

      WANG等采用水熱法,在鋅板表面制備了堅硬的氧化鋅鍍層,然后通過加入全氟潤滑油形成超滑表面。結果表明,在3.5%NaCl溶液中,超滑表面的陽極、陰極極化電流密度比鋅板低3個數量級,超滑表面顯著提高了鋅板的耐蝕性。


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