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研究納米添加量對氧化鎂膜層的影響

來源:原創論文網 添加時間:2019-09-29

材料學碩士論文精心編輯6篇第三篇:研究納米添加量對氧化鎂膜層的影響

摘要

  針對鎂合金微弧氧化膜層表面疏松,耐蝕性不能滿足實際使用要求的特點,本研究采用電解液修飾法,使電解液中的納米二氧化硅顆粒進入到鎂合金微弧氧化膜層∷中,表面孔徑減小到微納米尺度,改善膜層致密性,滿足超疏水膜層制備的要求,進而在其表面利用硬脂酸和正辛基三乙氧基硅烷的自組裝反應制備出鎂合金微弧氧化超疏水復合膜層。借助XRD、sEM、EDs、FTIR、電化學極化與阻抗譜及水接觸角測試等檢測手段,研究了不同納米⒏02添加量對氧化鎂膜層的相組成(微觀形貌、化學成分、耐蝕性、致密性及潤濕角的影響,優化出了滿足復合超疏水膜層制備所需的最佳氧化鎂膜層表面形貌。探討了微弧氧化電解液中納米⒏02添加量和硬脂酸、正辛基三乙氧基硅烷的自組裝時間對氧化鎂超疏水復合膜層接觸角、表面形貌、耐蝕性等各項性能的影響規律。

  結果表明:在微弧氧化過程中添加了jg/L的納米⒏o9粒子,放入硬脂酸乙醇+納米s02十正辛基三乙氧基硅烷溶液中進行改性處理40h后,最終所獲得的超疏水膜層的潤濕角最大,相比鎂基體的81.3°和鎂合金MA0膜層的390°,鎂合金超疏水膜層的潤濕角可達到156.2°廣同時滾動角為8.r1對鎂合金超疏水膜層進行電化學測試,發現當納米⒏o粒子添加量為兔山、自組裝時間為硐h的時候,自腐蝕電流為3.7狃EˉI1A/c血2,自腐蝕電位為0.38V,相比1-h的腐蝕電流降低了3個數量級,自腐蝕電位則提高了0.58V,同時浸泡40h時得到的超疏水膜層的阻抗值達到了最大值2.7"×1o⒑·cm2,是16h時阻抗值的4″倍,因此在硬脂酸乙醇+納米⒏0j+正辛基三乙氧基硅烷溶液中修飾、自組裝時間為捫h、添加量6g/L時的所獲得的鎂合金超疏水試樣的耐毖性明顯增強。

  關健訶:鎂合金;微弧氧化;超疏水;耐蝕性
 

鎂合金

目 錄

  1 緒論

  1.1 引言

  隨著社會的高速發展,能源和環境問題日益突出,各界人士對合理使用資源、節能環 保、減少環境污染的呼聲越來越高。就以現在全世界對鋁礦和鋼鐵材料的大量消耗來估算, 目前僅有的鋁鐵礦石已遠遠不夠人們的使用需求,剩余的礦產資源也僅夠人們開采一百五 十年的,但還遠遠不夠,而這樣的資源短缺現象,不僅僅是某一個國家的問題,而是早已 遍布全球了,相比之下,中國是世界上鎂資源最豐富的國家之一,同時也是世界上鎂的主 要生產和出口大國。鎂合金的比強度、比剛度高,導熱性高而且散熱性也好,重量輕等優 點,被廣泛應用在醫療、計算機、汽車、航天航空等領域上[1,2,3],同時也被稱作是"21 世 紀最具發展潛力的綠色工程材料",與其他金屬材料相比,在資源和環境日益增加的雙重 壓力下,鎂合金作為現階段工程應用最輕以及尚未被全面開發的金屬材料,對其進行高性 能化及多功能化的開發,已成為國內外材料研究者所研究的熱門課題。

  1.2 鎂及鎂合金

  1.2.1 鎂合金的特點及應用

  鎂及其合金是用鎂為基底,加入其他元素組成的合金,是迄今為止世界上發現的最輕 的結構金屬。鎂合金的力學性能雖然與普通的鋁合金基本相同,但其密度小,僅為鋁合金 的 2/3,比剛度和比強度也都高于鋁合金,消震性好,有良好的抗沖擊能力,同時鎂合金 還具有良好的尺寸穩定性、加工性,鑄造性能優良,也有很好的電磁屏蔽性等等。 綜上所述,由于鎂合金有許多優良的、其他材料難以替代的性能,因此在眾多領域中, 鎂合金都有很好的應用價值,鎂合金主要多應用于汽車、航天航空、電子等領域中。

  (1)鎂合金在汽車領域的應用 在一些發達國家,鎂及其合金已被廣泛用于汽車領域上面,比如用鎂合金制作的汽車 座椅支架、儀表板、車門、車架、后視鏡的支架,汽車內部機器也有部分是應用了鎂合金 材料制作,比如發動機的罩蓋、變速箱殼體[4,5]等等。使用鎂合金制造汽車零件可以顯著 降低車輛的重量,減少燃料消耗,減少廢氣排放,改善零件的集成度,提高車輛設計的靈 活性,同時由于鎂合金材料的原因,使得汽車內部零件的回收率[4]也達到了大大的提高, 隨著汽車行業的發展,為了提高汽車的燃油效率以及從環保角度考慮,給車輛"減負", 也就是實現車輛的輕量化,成為了本行業的關鍵問題之一,一般實現汽車輕量化多會通過 兩種途徑,一是優化結構,這一點在汽車的發展過程中一直進行著,而另一種途徑就是使 用一些重量輕的材料,比如目前三種比較理想的輕質材料,鎂合金、樹脂復合材料以及鋁 合金塑料,其中鎂的各項性能較其他兩者均都優異,并且在所有的壓鑄合金中,鎂合金的 重量最輕,在汽車行業的發展前景很好,以后會有更廣泛的應用。

  (2)鎂合金在電子領域的應用 隨著社會的發展,以及人們生活水平的提高,越來越多的智能化設備走進了千家萬戶, 電子設備被人們廣泛熟知并使用,因此發展越來越迅速,為了滿足人們的體驗感,電子通 訊產品開始了不間斷的更新改革,比如將產品制造的更輕、更薄、更微型化,同時又要做 到高度集成化,并且滿足環保的要求,目前,經過不斷的實驗探索,發現由鎂合金制作的 電子零件,可以更大程度的滿足以上各類條件,因此市面上越來越多的電子產品都應用鎂 合金材料進行制備,比如筆記本電腦、照相機、手機、硬盤驅動、電視機等等[6].

  (3)鎂合金在國防及其他領域的應用 在金屬結構材料中,鎂合金是質量最輕的金屬材料,由于這點優異的性能,鎂合金在 國防以及航天航空領域中有很廣泛的應用,比如用鎂合金材料制作火箭、旋轉羅盤、起落 架、雷達、飛機機身等,可以使得成品在滿足使用條件的情況下,其重量最大程度的減輕, 而輕量化的改善,可以直接使得飛機的機動性能有很大程度的提高,同時還可以使航天器 的發射成本[8-10]得到降低。 鎂合金的應用很廣泛,其實在我們的日常生活中就已經得到了應用,比如摩托車、自 行車、輪椅、辦公設備、運動器械等,其中鎂合金在自行車方面的應用,主要作為自行車 的車架。鎂合金的優點是不僅舒適、快速、輕便,而且可以使管道直徑更小、管壁更薄、 框架更堅固。當鎂合金用于輪椅時,則可制成除了車輪外的其余部件或是輪椅框架。鎂及 其合金在造船業和海洋工程中具有一定的應用,涵蓋領域數不勝數,在我們的生活中扮演 著重要的角色。

  1.2.2 鎂合金的腐蝕防護現狀

  鎂及其合金由于電化學性質非常活潑,在一些潮濕的環境中容易發生腐蝕,在鎂合金 的表面生成一層薄薄的氧化膜,生成物是氫氧化鎂或是氧化鎂,而且這層薄膜的密度系數 僅為 0.78,這種松散的表面結構無法有效地保護鎂基體,這些因素極大地限制了鎂合金的 應用。針對鎂合金的防腐耐蝕性差的缺點,國內外的研究人員對其進行了大量研究,通過 分析對比得到了可以有效提高鎂合金耐蝕性的方法:

  (1)去除雜質元素 鎂合金中含有的雜質為 Fe、Ni、Cu、Co,K.U.Kainei[11]通過將高純鎂合金和普通鎂 合金的鹽霧腐蝕速率進行對比分析,可以得到高純鎂合金的腐蝕速率要明顯小于普通鎂合 金的腐蝕速率,因此可以得到結論:當鎂合金中的雜質含量<0.02%的時候,可以很大程 度上降低鎂合金的腐蝕速率,提高耐蝕性,除此以外,其次還可以考慮加入新的元素,改 變原合金的組織和微觀結構,以開發出新的合金。

  (2)使用快速凝固技術 快速凝固技術可以提高鎂合金的耐蝕性,主要是通過兩點實現的,首先通過快速凝固 使合金的微觀結構均勻分布,同時合金的固溶度得到提高,合金中的雜質成分不會出現沉淀,而是形成了玻璃狀的氧化膜,并且快遞凝固使得合金局部的腐蝕得到了抑制,耐蝕性 能有所提高[12].

  (3)表面處理 對鎂合金進行表面處理,一方面是為了提高合金的耐蝕性,另一方面,表面處理后的 鎂合金外觀得到了美化,在處理的時候,根據鎂合金的日常使用要求、外觀要求等等,可 以選擇合適的表面處理方法,通常采用的表面處理技術有:激光表面改性、化學轉化膜、 金屬滲層、陽極氧化處理等其他方法,大部分的表面處理工藝都是趨于完整的,在操作過 程中也能起到規避失誤、降低成本、提高耐蝕性的效果。

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  1.3 超疏水表面
  1.3.1 超疏水表面基礎理論
  1.3.2 超疏水表面制備方法
  1.3.3 超疏水表面研究現狀及應用

  1.4 鎂合金超疏水表面
  1.5 鎂合金微弧氧化工藝
  1.5.1 微弧氧化的基本原理
  1.5.2 微弧氧化的技術特點
  1.5.3 微弧氧化膜層的影響因素

  1.6 本課題研究意義與研究內容
  1.6.1 研究意義
  1.6.2 研究內容
  1.7 技術路線圖

  2 實驗設備與方法
  2.1 實驗設備
  2.2 試樣材料及預處理
  2.3 膜層的制備
  2.3.1 微弧氧化膜層的制備
  2.3.2 疏水膜層的制備
  2.3.3 超疏水膜層的制備

  2.4 膜層的表征
  2.4.1 膜層的結構表征
  2.4.2 膜層的性能表征

  3 納米 SiO2添加量對鎂合金微弧氧化層結構和性能的影響
  3.1 添加納米 SiO2對鎂合金微弧氧化膜層組織結構的影響
  3.1.1 微弧氧化膜層表面形貌的觀察
  3.1.2 微弧氧化膜層的 EDS 分析
  3.1.3 微弧氧化膜層的 XRD 分析

  3.2 納米 SiO2添加量下鎂合金微弧氧化膜層的表面形貌分析
  3.3 納米 SiO2添加量下鎂合金微弧氧化膜層的元素分析
  3.4 納米 SiO2添加量下鎂合金微弧氧化膜層的耐蝕性分析
  3.4.1 微弧氧化膜層的交流阻抗分析
  3.4.2 微弧氧化膜層的動電位分析
  3.5 本章小結

  4 鎂合金硬脂酸疏水膜層
  4.1 鎂合金硬脂酸疏水膜層的潤濕性分析
  4.2 鎂合金硬脂酸疏水膜層的表面形貌分析
  4.3 鎂合金硬脂酸疏水膜層的化學成分分析
  4.4 鎂合金硬脂酸疏水膜層的耐蝕性分析
  4.5 本章小結

  5 納米 SiO2添加量對鎂合金超疏水層結構和性能的影響
  5.1 納米 SiO2添加量下鎂合金超疏水層的潤濕性分析
  5.2 納米 SiO2添加量下鎂合金超疏水層的表面形貌分析
  5.3 納米 SiO2添加量下鎂合金超疏水層的化學成分分析
  5.4 納米 SiO2添加量下鎂合金超疏水層的物相分析
  5.5 納米 SiO2添加量下鎂合金超疏水層的耐蝕性分析
  5.6 本章小結

  6 自組裝時間對鎂合金超疏水膜層結構和性能的影響
  6.1 自組裝時間下鎂合金超疏水膜層的潤濕性分析
  6.2 自組裝時間下鎂合金超疏水膜層的表面形貌分析
  6.3 自組裝時間下鎂合金超疏水膜層的耐蝕性分析
  6.4 本章小結

7結論

  本文根據鎂及其鎂合金的性能特點、耐蝕性的研究現狀以及鎂合金微弧氧化陶瓷層的特點等,選擇在鎂合金微弧氧化膜層的基礎上,采用提高鎂合金超疏水膜層性能的方法來提高鎂合金的防腐耐蝕性能,通過本文的并對其潤濕性機理和耐腐蝕性機理上進行了分析探討,得到以下幾點結論:

  1、用硬脂酸乙醇+納米SiO2配置低表面能修飾液,將經微弧氧化后的加入不同量的納米SiO2試樣放入溶液中修飾48h,得到的膜層具有疏水性,潤濕角隨著納米SiO2添加量的增多出現先增加后減小的趨勢,在6g/L時潤濕角達到最大為135.6°。膜層的耐蝕性有明顯提高,在6g/L時獲得最佳耐蝕性。

  2、進一步優化修飾液,采用硬脂酸乙醇+納米SiO2+正辛基三乙氧基硅烷的混合液作為修飾液,對鎂合金微弧氧化試樣進行修飾,得出在添加了6g/L的納米SiO2粒子、修飾處理40h時所獲得的超疏水膜層表面粗糙度最大,同時也具有最大的水接觸角,和優良的耐腐蝕性能,說明了在對微弧氧化膜層的表面粗糙度進行改變以后,得到微納米粗糙結構,可以為超疏水膜層的制備提供好的基底層的作用,滿足了cassie模型。

  致謝
  參考文獻

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