有机-无机杂化磷酸盐粘结陶瓷涂层的制备及其腐蚀摩擦行为研究

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磷酸盐粘结陶瓷涂层由于具备成本低廉、施工简单、绿色环保等优点被广泛应用于金属材料的表面保护。但大多数磷酸盐粘结剂脆性大,在外应力和腐蚀的协同作用下,其形成的网状结构易破裂,导致涂层的耐磨性和耐腐蚀性降低。另外,目前粘结陶瓷涂层在摩擦和腐蚀协同作用下的材料损失机理还存在很多空白。因此,本文通过对磷酸盐粘结剂分子结构进行调控,制备有机-无机杂化磷酸二氢铝(AP)粘结剂,分别系统地研究了AP和杂化AP涂层的纯摩擦、纯腐蚀和腐蚀摩擦协同作用行为,确定了AP的最佳含量并揭示了杂化AP对涂层相应性能的影响机制。主要研究内容如下:(1)不同AP含量对粘结陶瓷涂层性能的影响研究。首先,通过分析涂层的热性能和物相组成,研究了陶瓷涂层的固化机制;其次,研究了AP含量对粘结陶瓷涂层的摩擦磨损行为、电化学腐蚀行为和腐蚀摩擦协同作用行为的影响规律。结果表明:涂层的整个固化过程为不完全的脱水缩合反应,Al PO4和Zn3(PO4)2为主要的粘结相,AP含量的增加可以促进涂层的固化,提升固化反应转化率。涂层的腐蚀电流密度比裸钢的要小很多,保护效率达到了97%以上,涂层的阻抗值随AP含量的增加呈先增后减的趋势。涂层在腐蚀摩擦协同作用下的总体积损失量均大于纯机械摩擦下的损失量,由腐蚀引起的摩擦行为占主导作用,当AP含量为35 wt%时,具有较好的耐腐蚀摩擦性。(2)AP粘结剂有机-无机杂化改性研究。通过不同含量的有机硅烷与AP粘结剂的水解缩合反应制备出有机-无机杂化AP粘结剂,采用红外光谱和X射线能谱分析了杂化粘结剂的化学结构,并将杂化AP引入粘结陶瓷涂层中,探究了其对涂层硬度、疏水性和结合强度的影响。结果表明:甲基三乙氧基有机硅烷(MTES)成功与AP发生化学反应,并将-CH3有机基团引入AP三维网状结构中,形成了以P-O-Si为主体的化学结构,AP的分子结构得到有效改进。杂化AP涂层的硬度、疏水性和结合强度分别提高了53%、3.7%和38.7%,且拉伸时存在明显的塑性屈服,涂层的内聚力显著提高。(3)杂化AP粘结剂对粘结陶瓷涂层耐腐蚀摩擦性能的影响研究。分析了杂化AP粘结陶瓷涂层的摩擦磨损行为、电化学腐蚀行为和腐蚀摩擦协同作用行为。结果表明:杂化AP显著提高了涂层的摩擦学性能,当MTES的杂化量为5 wt%时,涂层的摩擦系数和磨损率最低。杂化AP涂层的腐蚀电流密度均比未杂化AP涂层小,杂化AP涂层的耐腐蚀性显著提高。在摩擦腐蚀实验中,杂化AP涂层的OCP值较高且稳定,MTES杂化量为5 wt%时涂层的腐蚀电流密度和总体积损失量分别降低了62%和64.8%,摩擦和腐蚀的协同作用主导着杂化AP涂层的总体积损失,杂化AP粘结剂主要是通过减少纯机械摩擦行为和由腐蚀诱导的摩擦行为来增强涂层的耐腐蚀摩擦性能。
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