镁合金表面Ti3C2Tx基防腐耐磨一体化有机/无机复合涂层制备及其性能研究

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镁合金是一种拥有巨大潜力的绿色工程材料。镁合金在各种高尖端领域有着广泛的应用。然而镁合金的耐蚀性与耐磨性严重限制了其发展,因此,提高镁合金的耐腐蚀、耐摩擦性能对于扩大其应用具有重要意义。Ti3C2Tx(MXene)纳米片是一种具有自润滑能力的弱键合多层结构,是一种适合的固体润滑材料和抗腐蚀材料。然而,Ti3C2Tx与金属表面结合力较差,因此本研究以Ti3C2Tx纳米薄片为骨架,加入具有防腐耐磨防护性能的有机材料,制备出具有耐磨防腐防护一体化的复合涂层。主要的研究内容如下:1)利用化学刻蚀(氢氟酸)MAX(Ti3Al C2)相的方法制备了二维层状的Ti3C2Tx。然后,通过层层自组装的方法在镁合金基体表面制备了硅烷偶联剂KH-550(APS)/Ti3C2Tx/十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)多层复合涂层。电化学测试与摩擦学测试的结果表明,与裸镁合金相比,APS/Ti3C2Tx/OTMS复合涂层的腐蚀速率降低了4个数量级。其原因是屏障效应增强,电偶腐蚀减弱。此外,该复合涂层还具有良好的抗磨性能。因为复合涂层具有Ti3C2Tx固有的润滑特性,可以保护基体免受摩擦磨损。复合涂层的摩擦系数由裸镁合金的0.4降低到0.11。Ti3C2Tx之间的层间滑移有效地降低了涂层的摩擦阻力,而OTMS的进入增加了涂层的致密性和结合力。2)本文将聚乙二醇(PEG)引入到Ti3C2Tx涂层中,通过旋涂法在AZ31B镁合金表面制备了Ti3C2Tx/PEG复合涂层。电化学测试结果表明,Ti3C2Tx/PEG复合涂层的腐蚀速率较之镁合金下降了两个数量级,耐蚀性能明显提升,这可能是PEG的引入,与Ti3C2Tx表面基团键合,增强了涂层的致密性,阻碍腐蚀因子的渗透。与镁合金基体相比,复合涂层的摩擦系数下降了约80%,从0.4降到了0.088,这是由于Ti3C2Tx本身具有优异的润滑性能。Ti3C2Tx/PEG涂层由于羟基的加入降低了剪切力,减少了摩擦过程中的层间滑移,使摩擦传递膜的形成更加致密。3)采用旋涂法在镁合金表面制备了均匀的Ti3C2Tx/聚乙烯醇(PVA)复合涂层。电化学结果表明,复合涂层的腐蚀速率较之镁合金基体降低了约5个数量级。PVA分可以进入到Ti3C2Tx的非氧化区,减少了Ti3C2Tx的固有缺陷,在位置路径上形成完整连续的膜层,具有良好的阻隔效应,提高了基材的耐蚀性。复合涂层的磨损率较之镁合金基体下降了约两个数量级,达到0.04。对于Ti3C2Tx/PVA复合涂层,PVA的加入通过氢键网络使涂层结构均匀且稳定。PVA含量合适的复合涂层通过有效的氢键效应表现出良好的粘结强度和有序的砖砂浆结构,可提高试样的硬度。
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