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研究纳米添加量对氧化镁膜层的影响

时间:2019-09-29 10:13 作者:乐枫

材料学硕士论文精心编辑6篇第三篇:研究纳米添加量对氧化镁膜层的影响

摘要

  针对镁合金微弧氧化膜层表面疏松,耐蚀性不能满足实际使用要求的特点,本研究采用电解液修饰法,使电解液中的纳米二氧化硅颗粒进入到镁合金微弧氧化膜层∷中,表面孔径减小到微纳米尺度,改善膜层致密性,满足超疏水膜层制备的要求,进而在其表面利用硬脂酸和正辛基三乙氧基硅烷的自组装反应制备出镁合金微弧氧化超疏水复合膜层。借助XRD、sEM、EDs、FTIR、电化学极化与阻抗谱及水接触角测试等检测手段,研究了不同纳米⒏02添加量对氧化镁膜层的相组成(微观形貌、化学成分、耐蚀性、致密性及润湿角的影响,优化出了满足复合超疏水膜层制备所需的最佳氧化镁膜层表面形貌。探讨了微弧氧化电解液中纳米⒏02添加量和硬脂酸、正辛基三乙氧基硅烷的自组装时间对氧化镁超疏水复合膜层接触角、表面形貌、耐蚀性等各项性能的影响规律。

  结果表明:在微弧氧化过程中添加了jg/L的纳米⒏o9粒子,放入硬脂酸乙醇+纳米s02十正辛基三乙氧基硅烷溶液中进行改性处理40h后,最终所获得的超疏水膜层的润湿角最大,相比镁基体的81.3°和镁合金MA0膜层的390°,镁合金超疏水膜层的润湿角可达到156.2°广同时滚动角为8.r1对镁合金超疏水膜层进行电化学测试,发现当纳米⒏o粒子添加量为兔山、自组装时间为硐h的时候,自腐蚀电流为3.7狃EˉI1A/c血2,自腐蚀电位为0.38V,相比1-h的腐蚀电流降低了3个数量级,自腐蚀电位则提高了0.58V,同时浸泡40h时得到的超疏水膜层的阻抗值达到了最大值2.7"×1o⒑·cm2,是16h时阻抗值的4″倍,因此在硬脂酸乙醇+纳米⒏0j+正辛基三乙氧基硅烷溶液中修饰、自组装时间为扪h、添加量6g/L时的所获得的镁合金超疏水试样的耐毖性明显增强。

  关健诃:镁合金;微弧氧化;超疏水;耐蚀性
 

镁合金

目 录

  1 绪论

  1.1 引言

  随着社会的高速发展,能源和环境问题日益突出,各界人士对合理使用资源、节能环 保、减少环境污染的呼声越来越高。就以现在全世界对铝矿和钢铁材料的大量消耗来估算, 目前仅有的铝铁矿石已远远不够人们的使用需求,剩余的矿产资源也仅够人们开采一百五 十年的,但还远远不够,而这样的资源短缺现象,不仅仅是某一个国家的问题,而是早已 遍布全球了,相比之下,中国是世界上镁资源最丰富的国家之一,同时也是世界上镁的主 要生产和出口大国。镁合金的比强度、比刚度高,导热性高而且散热性也好,重量轻等优 点,被广泛应用在医疗、计算机、汽车、航天航空等领域上[1,2,3],同时也被称作是"21 世 纪最具发展潜力的绿色工程材料",与其他金属材料相比,在资源和环境日益增加的双重 压力下,镁合金作为现阶段工程应用最轻以及尚未被全面开发的金属材料,对其进行高性 能化及多功能化的开发,已成为国内外材料研究者所研究的热门课题。

  1.2 镁及镁合金

  1.2.1 镁合金的特点及应用

  镁及其合金是用镁为基底,加入其他元素组成的合金,是迄今为止世界上发现的最轻 的结构金属。镁合金的力学性能虽然与普通的铝合金基本相同,但其密度小,仅为铝合金 的 2/3,比刚度和比强度也都高于铝合金,消震性好,有良好的抗冲击能力,同时镁合金 还具有良好的尺寸稳定性、加工性,铸造性能优良,也有很好的电磁屏蔽性等等。 综上所述,由于镁合金有许多优良的、其他材料难以替代的性能,因此在众多领域中, 镁合金都有很好的应用价值,镁合金主要多应用于汽车、航天航空、电子等领域中。

  (1)镁合金在汽车领域的应用 在一些发达国家,镁及其合金已被广泛用于汽车领域上面,比如用镁合金制作的汽车 座椅支架、仪表板、车门、车架、后视镜的支架,汽车内部机器也有部分是应用了镁合金 材料制作,比如发动机的罩盖、变速箱壳体[4,5]等等。使用镁合金制造汽车零件可以显著 降低车辆的重量,减少燃料消耗,减少废气排放,改善零件的集成度,提高车辆设计的灵 活性,同时由于镁合金材料的原因,使得汽车内部零件的回收率[4]也达到了大大的提高, 随着汽车行业的发展,为了提高汽车的燃油效率以及从环保角度考虑,给车辆"减负", 也就是实现车辆的轻量化,成为了本行业的关键问题之一,一般实现汽车轻量化多会通过 两种途径,一是优化结构,这一点在汽车的发展过程中一直进行着,而另一种途径就是使 用一些重量轻的材料,比如目前三种比较理想的轻质材料,镁合金、树脂复合材料以及铝 合金塑料,其中镁的各项性能较其他两者均都优异,并且在所有的压铸合金中,镁合金的 重量最轻,在汽车行业的发展前景很好,以后会有更广泛的应用。

  (2)镁合金在电子领域的应用 随着社会的发展,以及人们生活水平的提高,越来越多的智能化设备走进了千家万户, 电子设备被人们广泛熟知并使用,因此发展越来越迅速,为了满足人们的体验感,电子通 讯产品开始了不间断的更新改革,比如将产品制造的更轻、更薄、更微型化,同时又要做 到高度集成化,并且满足环保的要求,目前,经过不断的实验探索,发现由镁合金制作的 电子零件,可以更大程度的满足以上各类条件,因此市面上越来越多的电子产品都应用镁 合金材料进行制备,比如笔记本电脑、照相机、手机、硬盘驱动、电视机等等[6].

  (3)镁合金在国防及其他领域的应用 在金属结构材料中,镁合金是质量最轻的金属材料,由于这点优异的性能,镁合金在 国防以及航天航空领域中有很广泛的应用,比如用镁合金材料制作火箭、旋转罗盘、起落 架、雷达、飞机机身等,可以使得成品在满足使用条件的情况下,其重量最大程度的减轻, 而轻量化的改善,可以直接使得飞机的机动性能有很大程度的提高,同时还可以使航天器 的发射成本[8-10]得到降低。 镁合金的应用很广泛,其实在我们的日常生活中就已经得到了应用,比如摩托车、自 行车、轮椅、办公设备、运动器械等,其中镁合金在自行车方面的应用,主要作为自行车 的车架。镁合金的优点是不仅舒适、快速、轻便,而且可以使管道直径更小、管壁更薄、 框架更坚固。当镁合金用于轮椅时,则可制成除了车轮外的其余部件或是轮椅框架。镁及 其合金在造船业和海洋工程中具有一定的应用,涵盖领域数不胜数,在我们的生活中扮演 着重要的角色。

  1.2.2 镁合金的腐蚀防护现状

  镁及其合金由于电化学性质非常活泼,在一些潮湿的环境中容易发生腐蚀,在镁合金 的表面生成一层薄薄的氧化膜,生成物是氢氧化镁或是氧化镁,而且这层薄膜的密度系数 仅为 0.78,这种松散的表面结构无法有效地保护镁基体,这些因素极大地限制了镁合金的 应用。针对镁合金的防腐耐蚀性差的缺点,国内外的研究人员对其进行了大量研究,通过 分析对比得到了可以有效提高镁合金耐蚀性的方法:

  (1)去除杂质元素 镁合金中含有的杂质为 Fe、Ni、Cu、Co,K.U.Kainei[11]通过将高纯镁合金和普通镁 合金的盐雾腐蚀速率进行对比分析,可以得到高纯镁合金的腐蚀速率要明显小于普通镁合 金的腐蚀速率,因此可以得到结论:当镁合金中的杂质含量<0.02%的时候,可以很大程 度上降低镁合金的腐蚀速率,提高耐蚀性,除此以外,其次还可以考虑加入新的元素,改 变原合金的组织和微观结构,以开发出新的合金。

  (2)使用快速凝固技术 快速凝固技术可以提高镁合金的耐蚀性,主要是通过两点实现的,首先通过快速凝固 使合金的微观结构均匀分布,同时合金的固溶度得到提高,合金中的杂质成分不会出现沉淀,而是形成了玻璃状的氧化膜,并且快递凝固使得合金局部的腐蚀得到了抑制,耐蚀性 能有所提高[12].

  (3)表面处理 对镁合金进行表面处理,一方面是为了提高合金的耐蚀性,另一方面,表面处理后的 镁合金外观得到了美化,在处理的时候,根据镁合金的日常使用要求、外观要求等等,可 以选择合适的表面处理方法,通常采用的表面处理技术有:激光表面改性、化学转化膜、 金属渗层、阳极氧化处理等其他方法,大部分的表面处理工艺都是趋于完整的,在操作过 程中也能起到规避失误、降低成本、提高耐蚀性的效果。

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  1.3 超疏水表面
  1.3.1 超疏水表面基础理论
  1.3.2 超疏水表面制备方法
  1.3.3 超疏水表面研究现状及应用

  1.4 镁合金超疏水表面
  1.5 镁合金微弧氧化工艺
  1.5.1 微弧氧化的基本原理
  1.5.2 微弧氧化的技术特点
  1.5.3 微弧氧化膜层的影响因素

  1.6 本课题研究意义与研究内容
  1.6.1 研究意义
  1.6.2 研究内容
  1.7 技术路线图

  2 实验设备与方法
  2.1 实验设备
  2.2 试样材料及预处理
  2.3 膜层的制备
  2.3.1 微弧氧化膜层的制备
  2.3.2 疏水膜层的制备
  2.3.3 超疏水膜层的制备

  2.4 膜层的表征
  2.4.1 膜层的结构表征
  2.4.2 膜层的性能表征

  3 纳米 SiO2添加量对镁合金微弧氧化层结构和性能的影响
  3.1 添加纳米 SiO2对镁合金微弧氧化膜层组织结构的影响
  3.1.1 微弧氧化膜层表面形貌的观察
  3.1.2 微弧氧化膜层的 EDS 分析
  3.1.3 微弧氧化膜层的 XRD 分析

  3.2 纳米 SiO2添加量下镁合金微弧氧化膜层的表面形貌分析
  3.3 纳米 SiO2添加量下镁合金微弧氧化膜层的元素分析
  3.4 纳米 SiO2添加量下镁合金微弧氧化膜层的耐蚀性分析
  3.4.1 微弧氧化膜层的交流阻抗分析
  3.4.2 微弧氧化膜层的动电位分析
  3.5 本章小结

  4 镁合金硬脂酸疏水膜层
  4.1 镁合金硬脂酸疏水膜层的润湿性分析
  4.2 镁合金硬脂酸疏水膜层的表面形貌分析
  4.3 镁合金硬脂酸疏水膜层的化学成分分析
  4.4 镁合金硬脂酸疏水膜层的耐蚀性分析
  4.5 本章小结

  5 纳米 SiO2添加量对镁合金超疏水层结构和性能的影响
  5.1 纳米 SiO2添加量下镁合金超疏水层的润湿性分析
  5.2 纳米 SiO2添加量下镁合金超疏水层的表面形貌分析
  5.3 纳米 SiO2添加量下镁合金超疏水层的化学成分分析
  5.4 纳米 SiO2添加量下镁合金超疏水层的物相分析
  5.5 纳米 SiO2添加量下镁合金超疏水层的耐蚀性分析
  5.6 本章小结

  6 自组装时间对镁合金超疏水膜层结构和性能的影响
  6.1 自组装时间下镁合金超疏水膜层的润湿性分析
  6.2 自组装时间下镁合金超疏水膜层的表面形貌分析
  6.3 自组装时间下镁合金超疏水膜层的耐蚀性分析
  6.4 本章小结

7结论

  本文根据镁及其镁合金的性能特点、耐蚀性的研究现状以及镁合金微弧氧化陶瓷层的特点等,选择在镁合金微弧氧化膜层的基础上,采用提高镁合金超疏水膜层性能的方法来提高镁合金的防腐耐蚀性能,通过本文的并对其润湿性机理和耐腐蚀性机理上进行了分析探讨,得到以下几点结论:

  1、用硬脂酸乙醇+纳米SiO2配置低表面能修饰液,将经微弧氧化后的加入不同量的纳米SiO2试样放入溶液中修饰48h,得到的膜层具有疏水性,润湿角随着纳米SiO2添加量的增多出现先增加后减小的趋势,在6g/L时润湿角达到最大为135.6°。膜层的耐蚀性有明显提高,在6g/L时获得最佳耐蚀性。

  2、进一步优化修饰液,采用硬脂酸乙醇+纳米SiO2+正辛基三乙氧基硅烷的混合液作为修饰液,对镁合金微弧氧化试样进行修饰,得出在添加了6g/L的纳米SiO2粒子、修饰处理40h时所获得的超疏水膜层表面粗糙度最大,同时也具有最大的水接触角,和优良的耐腐蚀性能,说明了在对微弧氧化膜层的表面粗糙度进行改变以后,得到微纳米粗糙结构,可以为超疏水膜层的制备提供好的基底层的作用,满足了cassie模型。

  致谢
  参考文献

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