【摘 要】
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镁合金具有密度低、电磁屏蔽性能好、生物相容性好等优点,是一种很有前途的金属结构材料,在汽车工业、生物医学、航空航天和电子产品等诸多领域都有广泛应用。但其标准电极电位极低,导致镁合金的化学性质十分活跃,限制了大规模应用,迫切需要通过表面处理技术来改善其耐腐蚀性能。本文通过在镁合金上用硅氧烷改性镍基镀层,制备稳定的耐腐蚀和超疏水复合涂层,实现对镁合金的长效腐蚀保护。主要研究内容如下:(1)为了提高镍基
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镁合金具有密度低、电磁屏蔽性能好、生物相容性好等优点,是一种很有前途的金属结构材料,在汽车工业、生物医学、航空航天和电子产品等诸多领域都有广泛应用。但其标准电极电位极低,导致镁合金的化学性质十分活跃,限制了大规模应用,迫切需要通过表面处理技术来改善其耐腐蚀性能。本文通过在镁合金上用硅氧烷改性镍基镀层,制备稳定的耐腐蚀和超疏水复合涂层,实现对镁合金的长效腐蚀保护。主要研究内容如下:(1)为了提高镍基涂层对镁合金的腐蚀保护,在AZ31镁合金上成功设计并制备了超疏水镍磷/镍/氟化聚硅氧烷(PFDTMS)三层复合涂层。复合涂层由化学沉积镍磷(ELNi)底层、电化学沉积镍(ECNi)纳米锥阵列中间层和通过硅氧烷脱水缩合反应的PFDTMS顶层组成。通过扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱和X射线光电子能谱(XPS)确定涂层的表面形貌、结构和化学成分。复合涂层的静态水接触角为153.0°±4.6°,归因于纳米锥形镍和PFDTMS层之间的协同作用。与未经处理的镁合金相比,根据塔菲尔(Tafel)曲线,涂层的腐蚀电流密度(jcorr)降低了四个数量级,基于电化学阻抗谱(EIS),其相应的低频阻抗模量(|Z|f=0.01 Hz)增加了近四个数量级,证明涂层对镁合金具有优异的腐蚀保护。最后,还详细讨论了在有和无电沉积镍纳米锥阵列的镍磷层上进行硅氧烷改性后水滴的润湿状态。(2)仅使用低表面能有机物质修饰难以确保疏水结构的稳定性。为了进一步增强超疏水表面的机械性能和拒水性能,将SiO2纳米粒子和ZnO纳米粒子掺入硅氧烷溶液中,然后再对镍基镀层改性,在AZ31镁合金上制备有效的防腐复合涂层。相比不掺杂纳米粒子的涂层表面,通过低表面能物质和纳米粒子结合,在镍微阵列上制备出粗糙的纳米凸结构,具有增强的拒水性和持久的耐腐蚀性。通过SEM,能量色散X射线光谱(EDS)和X射线衍射(XRD)对所得复合涂层的形貌和物相组成的表征,表明成功合成有机-无机复合涂层。Tafel曲线和EIS测试表明,与仅使用有机物修饰镍层相比,有机-无机复合涂层具有更优异的耐蚀性和拒水性。相比掺杂ZnO纳米粒子,掺杂SiO2纳米粒子的超疏水涂层表现出更好的机械耐磨性和长效耐蚀性,在3.5wt.%Na Cl中浸泡7天后腐蚀电流密度仅从2.79×10-8 A cm-2升到4.35×10-8 A cm-2。(3)纳米粒子的浓度直接影响纳米粒子-聚硅氧烷复合物在镍基涂层表面的聚集状态,形成不同的粗糙结构,影响超疏水性能。通过在硅氧烷中掺杂不同含量二氧化硅后改性镍基镀层,进一步探究复合涂层的性能。结果发现,随着SiO2含量的增加,掺杂SiO2纳米颗粒的聚硅氧烷倾向于完整填充镍纳米锥间的孔隙,降低粗糙度。当SiO2含量为2.0wt.%时,涂层具有分级结构,表现出突出的拒水性和低水粘附性,水接触角为165.3°±1.5°,滚动角为2.2°±0.7°。同时,复合涂层具有良好机械耐磨性,在砂纸上连续磨损20次后,静态水接触角仍高达157.3°±1.9°,滚动角低至3.2°±1.1°,依然具有优异超疏水性能。电化学测试和浸泡试验表明,复合涂层有效充当防止腐蚀介质渗透的屏障,具有优异的抗腐蚀能力。以上结果说明制备的复合涂层具有优异的拒水性能,机械稳定性和耐腐蚀性能。
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