钢铁表面超疏水复合涂层的制备及其耐蚀性能研究

发布时间：2020-06-18 02:38

【摘要】：钢铁具有良好的导电导热性,延展性,制备成本低廉,在工业生产上被广泛利用,但是铁的化学性质活泼,在空气中极易腐蚀,使得钢铁的使用寿命大幅缩短,也产生了巨大的资源浪费。为了提高钢铁的使用寿命,发展了很多增强其耐蚀性的处理方法,如传统的磷化处理和铬酸盐处理,效果非常明显但其对环境会造成严重污染,因此开始慢慢被一些新型的处理方式所取代。近年来,受大自然“荷叶效应”的启发,利用简单环保工艺制备超疏水材料来保护钢铁材料有着潜在的应用前景。本工作通过不同的电沉积工艺,磁控溅射铝膜和硬脂酸改性方法在45#表面构筑了超疏水复合涂层,系统研究了 45#钢表面涂层的结构组成与润湿行为、耐蚀性能之间的关系。主要研究内容如下:(1)利用两步法在45#钢表面成功制备了一层具有超疏水性能的复合镀层。将45#钢片放在简单的镀锌溶液中进行直流电沉积,通过调节电沉积时间和电流密度在钢片表面获得团簇球状颗粒的微纳结构镀锌层,然后使用硬脂酸改性得到具有超疏水性能的复合涂层。测试该涂层水的接触角,使用SEM、XRD和FT-IR等技术对它们的形貌和化学组成进行表征和分析,通过测试极化曲线评价涂层的耐蚀性能。实验结果表明,随电沉积时间的延长和电流密度的增大,45#钢表面的接触角先升高后降低,在电流密度为6 A/dm2,电沉积时间为20 min时,水的接触角最大,可达154.4°。该简易方法可以制备得到超疏水表面,显著提高基体的耐蚀性。(2)在简单的镀锌溶液中尝试采用脉冲电沉积技术得到结构性能更加优异的镀层结构。通过调节电沉积时间、电流密度、脉冲频率和脉冲占空比在钢片表面获得分布均匀的团簇颗粒状的微纳结构镀锌层,使用硬脂酸改性得到具有超疏水表面的复合涂层。测试该涂层水的接触角,使用SEM等技术对他们的形貌进行了表征和分析。实验结果表明,脉冲电沉积工艺可以改善镀层表面粗糙结构的均匀性,随电沉积时间的延长和电流密度的增大,45#钢表面涂层的接触角先升高后降低,脉冲频率和脉冲占空比对涂层接触角影响不明显,在电流密度为5 A/dm2,电沉积时间为20min时,水的接触角最大,可达155.6°,故脉冲电沉积工艺相比于直流电沉积对镀层可以改善镀层表面粗糙结构的均匀性,但对于涂层的疏水性能没有显著的改善作用。(3)为了进一步提高45#钢的耐蚀性,在钢片表面利用直流电沉积获得分布均匀的团簇球状颗粒的微纳结构的镀锌层之后,通过磁控溅射技术在此镀层上继续沉积一层铝层。调节磁控溅射的时间,功率和气压可获得最佳厚度的铝层,经硬脂酸改性得到具有超疏水性能的复合涂层。测试该涂层水的接触角、粗糙度,使用SEM,XRD,激光共聚焦显微镜等技术对它们的形貌和化学组成进行了表征和分析,通过测试极化曲线评价涂层的耐蚀性能。实验结果表明,随溅射时间的延长和溅射功率的增大,使得镀锌层表面的粗糙度逐渐下降,而溅射气压对其粗糙度影响不明显。在磁控溅射时间为20min,溅射功率为300W,溅射气压为0.7 Pa时,磁控溅射得到最适厚度的铝层依然保持超疏水性,可以进一步提高45#钢的耐蚀性。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG178
【图文】：

洁性能的机理逐渐被人类解释。在扫描电镜下，荷叶表面会呈现微观尺度的乳状逡逑突起，其平均尺寸小于１０邋ｎｍ，突起表面还覆盖着纳米管，平均尺寸小于２００ｎｍ，逡逑如图１．１所示。荷叶表现出优异的超疏水特性正是因为其表面由多等级微纳米尺逡逑度的粗糙结构形成了一种复合界面，水在表面呈球状的水珠，可轻易滑落，表面逡逑与水的接触角可达到１６４°，滚动角只有２°＋６１。玫瑰花瓣表面也呈现微纳米复合逡逑结构，颗粒平均粒径约为２０邋ｎｍ，尺寸为４００？５００邋ｎｍ的褶皱结构分布在乳突顶逡逑端，从而表现出超疏水特性，接触角为１５２°１７＇逡逑Ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋（Ｎｅｌｕｍｂｏ邋ｎｕｃｉｆｅｒａ）逡逑画W画逡逑Ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｏｎ邋ａ邋Ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ逡逑图１．１由乳突表皮细胞覆盖着三维蜡质小管形成的荷叶表面微观纳米结构的ＳＥＭ照片逡逑（三种放大倍数）和水滴在荷叶上的图像Ｍ逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋ＳＥＭ邋ｍｉｃｒｏｇｒａｐｈｓ邋（ｓｈｏｗｎ邋ａｔ邋ｔｌｉｒｅｅ邋ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ）邋ｏｆ邋Ｌｏｔｕｓ邋ｌｅａｆ邋ｓｕｒｆａｃｅ邋ｗｈｉｃｈ逡逑ｃｏｎｓｉｓｔｓ邋ｏｆ邋ｎｉｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｃ邋ｆｏｎｎｅｄ邋ｂ＞邋ｐａｐｉｌｌｏｓｅ邋ｅｐｉｄｅｍｉａｌ邋ｃｅｌｌｓ邋ｃｏｖｅｒｅｄ邋ｗ邋ｉｔｈ邋３－Ｄ邋ｅｐｉｃｕｔｉｃｕｌａｒ邋ｗａｘ逡逑ｔｕｂｕｌｅｓ邋ｏｎ邋ｓｕｒｆａｃｅ，邋ｗ邋ｈｉｃｈ邋ｃｒｅａｔｅ邋ｎａｎｏｓｔｍｃｔｕｒｅ．邋ａｎｄ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｄｒｏｐｌｅｔ邋ｓｉｔｔｉｎｇ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋Ｌｏｔｕｓ逡逑ｌｅａｆ．逡逑此外

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本文编号：2718560