【摘 要】
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陆地资源的日益短缺诱使世界各国逐渐把目光转移向海洋环境,而海洋装备在开发海洋资源的过程中伴随着海水腐蚀与生物污损等重大挑战。此外,海洋的军事战略意义也要求海洋装备具有一定的低可探测性。因此,开发兼具防腐蚀与电磁波吸收的复合材料有着重要研究意义与价值。陶瓷在磨损、高温、腐蚀等领域有着极大地优势。通过热喷涂、气相沉积等方式制备陶瓷涂层涂覆于装备表面以改善设备在恶劣环境的使用性能,延长海洋装备的服役寿命
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陆地资源的日益短缺诱使世界各国逐渐把目光转移向海洋环境,而海洋装备在开发海洋资源的过程中伴随着海水腐蚀与生物污损等重大挑战。此外,海洋的军事战略意义也要求海洋装备具有一定的低可探测性。因此,开发兼具防腐蚀与电磁波吸收的复合材料有着重要研究意义与价值。陶瓷在磨损、高温、腐蚀等领域有着极大地优势。通过热喷涂、气相沉积等方式制备陶瓷涂层涂覆于装备表面以改善设备在恶劣环境的使用性能,延长海洋装备的服役寿命已经得到广泛研究。本文以兼具耐蚀与电磁波吸收性能的铁铝尖晶石陶瓷材料为基础,通过喷雾造粒、热还原制备Cu/RGO复合粉并按比例与尖晶石混合,利用扫描电镜、X射线衍射仪、电化学工作站、矢量网络分析仪等设备研究了添加石墨烯和金属铜微粒对复合材料防腐蚀性能、电磁波吸收性能的影响机制。为获得具有优异耐蚀性的尖晶石陶瓷涂层,分别以喷雾造粒技术制备的Al2O3/Fe3O4,Al2O3/Fe3O4/Fe两种复合粉体及电熔铁铝尖晶石为原料进行等离子喷涂。以Al2O3/Fe3O4为原料热喷涂后,不同功率下制备的涂层物相组成并未发生明显变化,以Al2O3、Fe3O4为主。当体系中引入铁粉后,四氧化三铁部分被转化为铁单质,生成了少量氧化亚铁,Fe Al2O4尖晶石相有所增多。以Fe Al2O4为主相的电熔铁铝尖晶石为原料,经等离子喷涂后物相结构仍以Fe Al2O4尖晶石相为主,以电熔铁铝尖晶石可以成功制备尖晶石陶瓷涂层。两种喷雾造粒粉经等离子喷涂后均不能有效生成以尖晶石相为主体的陶瓷涂层,其困难之处在于氧分压较高情况下氧化亚铁不能稳定存在。单一陶瓷涂层存在密度大、韧性差、孔隙较多的缺点。本研究在铁铝尖晶石陶瓷涂层基础上,利用喷雾造粒制备了Cu/RGO复合粉体,通过掺杂不同比例的Cu/RGO复合粉体制备了一系列涂层。随着Cu/RGO复合粉体比例的增大,涂层孔隙率先降低后增大,掺杂10wt.%Cu/RGO复合粉的复合涂层孔隙率最低,仅为1.2%。较多复合粉掺杂增加了涂层孔隙率,降低了涂层质量。以开路电位及动电位极化曲线对涂层在模拟海水和硫酸盐还原菌溶液（SRB）中涂层耐蚀性能进行了评价,复合涂层在硫酸盐还原菌溶液中更耐蚀;两种腐蚀介质下,复合涂层耐蚀性能相比单一尖晶石陶瓷涂层有了较大提高,掺杂10wt.%Cu/RGO粉体的复合涂层耐蚀性能最好。通过电化学阻抗谱对掺杂10wt.%Cu/RGO粉体的复合涂层进行了长期浸泡测试,浸泡结果表明复合涂层防腐性能以物理屏蔽为主,Cu/RGO的引入在降低涂层孔隙率的同时可以增强涂层物理屏蔽性能。复合涂层的腐蚀可以划分为腐蚀初期和腐蚀后期,R（Q（R（QR）））、R（Q（RW（QR）））两个等效电路分别对应腐蚀初期和后期。复合涂层在SRB溶液中的浸泡结果表明含较多Cu/RGO的复合涂层有利于降低SRB附着,防污效果随Cu/RGO掺杂比例增大逐渐增强。复合涂层防污效果来源于Cu+,Cu2+的毒害作用和还原氧化石墨烯的物理屏蔽作用。尖晶石铁氧体作为电磁波吸收材料的研究由来已久,但其存在阻抗匹配差、密度大的缺点。本文通过引入Cu/RGO改善尖晶石的电磁波吸收效果,通过实验证明了尖晶石复合材料表现为软磁性;不同吸收剂掺杂比例对材料的电磁性能有明显的影响,掺杂50wt.%时电磁波损耗较强。引入由喷雾造粒干燥技术制备的具有复杂表面的Cu/RGO复合粉体可以有效地优化单以Fe Al2O4铁氧体的阻抗匹配,提高电磁波吸收性能。在多次反射/散射、自然共振、界面极化、传导损耗等因素的协同作用下,掺杂10wt.%Cu/RGO复合粉体的Fe Al2O4复合材料具有最佳的吸收效果;当吸收剂填充量为50wt.%,厚度为3.0 mm时,复合材料在15 GHz处的反射损耗可达-16 d B,有效带宽为2 GHz。
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