氧化锌-氧化石墨烯增强陶瓷涂层耐腐蚀摩擦性能研究

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由于涂敷工艺便捷环保及成本低廉等特点,无机粘结陶瓷涂层成为保护机械设备免受磨损和腐蚀破坏的主要表面涂层之一。但无机粘结陶瓷涂层脆性大使其耐蚀耐磨性较差,并且纳米碳增强材料也存在与涂层结合强度不高的问题。因此,本文以氧化石墨烯(GO)为增强相,改善涂层的耐蚀磨性,并通过杂化氧化锌-氧化石墨烯(ZnO-GO)纳米材料,提高GO与涂层的界面结合强度。研究了ZnO-GO杂化材料对无机粘结陶瓷涂层抗腐蚀-摩擦性能的影响规律,并通过腐蚀摩擦交互试验,为无机粘结陶瓷涂层的应用与发展提供理论依据。首先,通过溶胶法制备ZnO-GO杂化材料。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)等方法对ZnO-GO杂化材料进行物相分析和结构表征。试验结果证明,杂化在GO片上的ZnO分布均匀,GO的层间距增加,ZnO-GO杂化材料成功制备。其次,将ZnO-GO杂化材料作为增强相添加进无机粘结陶瓷涂层中。通过XRD、SEM和差示扫描量热法(DSC)等试验手段对其进行表征。结果表明,ZnO-GO杂化材料在涂层中分散良好,与涂层结合牢靠。涂层未出现新的特征峰,ZnO-GO并没有直接参与固化反应。纳米ZnO通过和粘结剂反应提高GO与涂层的结合度,使涂层变得更为紧实和致密,有效增强涂层硬度,略微降低涂层表面粗糙度,并小幅提升涂层接触角。接着,研究了ZnO-GO杂化材料对陶瓷涂层耐腐蚀性能的影响。电化学腐蚀试验结果表明:添加0.5 wt.%ZnO-GO的涂层比添加0 wt.%ZnO-GO的腐蚀电流密度下降一个数量级,在fmin=0.01 Hz处的频率阻抗也有相当程度的提高,添加0.5 wt.%ZnO-GO的涂层是不添加的约2.6倍。这是涂层受益于ZnO-GO杂化材料的加入,获得了更好的表面质量,并且ZnO-GO能够有效地阻隔内部裂纹的扩展,延缓腐蚀介质的渗透速率。然后,分析了ZnO-GO杂化材料对陶瓷涂层耐磨损性能的影响。摩擦学试验结果表明:添加0.6 wt.%ZnO-GO的涂层比未添加的摩擦系数下降0.1,磨损率下降75.3%。这是因为ZnO-GO能够在磨痕表面形成润滑膜,降低摩擦系数。并且纳米ZnO-GO杂化材料提升了涂层与基体的结合强度,减少涂层在对磨时颗粒被拔出的概率,降低了磨屑所产生的不良影响,磨损率由此得到降低。最后,探讨了ZnO-GO杂化材料对陶瓷涂层抗腐蚀摩擦性能的影响。腐蚀摩擦交互试验结果表明:ZnO-GO杂化材料能够提高涂层在蚀磨状态下的开路电压;而添加相同含量ZnO-GO杂化材料的涂层,在蚀磨状态下的电流密度要比静态下的高;在蚀磨试验后,fmin=0.01 Hz处的阻抗比未进行试验前的低,说明腐蚀摩擦会对涂层起到破坏作用。未添加ZnO-GO杂化材料的涂层在蚀磨状态下的磨损体积量最高,当添加0.6 wt.%ZnO-GO时,涂层总磨损量降低86%。为更好地研究腐蚀磨损的协同作用,计算了由不同因素导致的涂层材料损失。计算结果表明,腐蚀促进的磨损损失在腐蚀摩擦中起主导作用,腐蚀会加速机械摩擦对涂层的破坏。添加ZnO-GO杂化材料有效提升涂层的耐蚀磨性,这归因于ZnO-GO杂化材料通过溶胶-凝胶的过程,形成以GO为核的网状结构,提升涂层的成型质量,降低涂层因腐蚀摩擦而失效剥落的机率,从而赋予涂层抵御腐蚀离子的能力。GO独特的片状结构和高强度的韧性,也让腐蚀摩擦所产生的裂纹很难在涂层内部蔓延,因此能够有效的延长腐蚀介质到达基体的路径,降低了腐蚀速率。
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