腐蚀的防护是金属材料的开发和使用中最重要的研究课题之一,具有极大的经济价值和重要的社会效益。传统的磷化涂层和有机防腐涂层,因工艺落后和性能单一,无法应对复杂的应用环境,也不能满足日益严苛的环保法规。氧化石墨烯(GO)作为一种新型纳米材料,具有不同于其他纳米材料的新结构、新特性,尤其是其特殊的二维层状结构和优异的阻隔性能,在防腐蚀功能涂层中具有潜在的应用价值。但是,GO在实际应用中往往面临和传统纳米材料一样的分散性问题;另外,由于本身特殊结构带来的超大比表面积及特殊的表面化学性质,使得二维层状材料的分散/团聚机制与传统纳米材料又有所区别。本论文围绕GO所面临的上述问题,从提高涂层的防腐蚀性能出发,探索GO在开发新型防腐蚀工艺及防腐蚀涂层中的应用。同时,以纳米材料的分散/团聚为研究角度,对比二维GO片层与金纳米粒子的自组装行为的区别,研究纳米材料表面化学性质对其自组装行为的影响及作用机制,揭示纳米材料内在的分散稳定机理。其主要内容如下:(1)将GO引入传统的化学磷化工艺,观测磷化过程中磷化膜的表面形貌发展变化,系统研究了GO对磷化过程中晶体生长、结构及组成的影响,发现GO是一种高效的磷化促进、改性剂,能够明显提升磷化效率,改善磷化膜质量,形成晶粒更小、结构更致密的磷化膜,进而提出了GO参与改进磷化过程的作用机理。电化学测试表明,GO改性之后能够提高磷化膜质量,同时共沉积的GO片层能够覆盖磷化膜中的部分孔隙,因此能够将腐蚀速率降低一个数量级。(2)探索GO在阴极、阳极电解磷化工艺中的应用,发现GO在阳极磷化过程中会不断吸附积累在金属电解表面,阻碍磷化反应;相比之下,在阴极磷化过程中,由于磷化机理与阳极不同,GO能够改变磷化膜中晶体的组成和结构。系统研究阴极磷化过程中电流密度、GO浓度对磷化膜中晶体结构和组成的影响,发现GO的片层结构及其表面的羧基及带电状态,会影响阴极磷化过程中电极表面的离子迁移,更有利于电镀锌反应,从而改变电极表面的磷化膜组成。电化学测试表明,由于阴极磷化膜中生成的大量金属锌,通过牺牲锌阳极,保护铁基材,因此具有比传统化学磷化膜更好的防腐蚀性能。(3)通过两步化学反应,制备季铵盐离子接枝改性的GO(AGO)片层,改变GO片层的表面化学性质。利用AGO的两亲性,提出以AGO为助分散剂,增强环氧树脂和多胺固化剂分子在水体系中的相容性,成功解决水性环氧涂料因相容性差导致的固化、成膜难题,显著降低涂膜中微孔缺陷的产生;同时在固化过程也将AGO片层均匀地分散在涂膜之中,最终得以形成最致密、均匀的涂膜,从而有效增强涂膜的防腐蚀性能,将腐蚀速率降低三个数量级。(4)基于化学还原GO的方法,驱动还原的GO(rGO)片层自组装形成石墨烯水凝胶。通过调节前驱体GO水分散液的pH值,实现对水凝胶内部孔隙结构的连续控制,孔径尺寸随着pH的升高而逐渐增大。进一步探讨pH值影响GO/rGO表面化学性质的作用机理,研究pH值对GO/rGO片层分散/团聚行为的影响规律,发现羧基电离形成的双电层作用力是稳定分散GO/rGO片层最主要原因,通过调节pH值,可以影响羧基的电离,改变GO片层之间的相互作用力,从而改变GO/rGO的自组装行为,调节水凝胶的孔隙结构。流变学和电化学研究表明小孔径、结构致密的水凝胶具有更高的机械强度,而大孔隙和小孔隙协同的结构具有更好的电化学储能性能。(5)通过杯芳烃配体接枝改性稳定纳米金离子,再以氢气模板自组装法,制备超大孔径比的三维多孔纳米金自组装体。继而采用不同表面处理工艺以除去纳米金表面的杯芳烃配体,发现只有UV/Ozone方法能够在除去有机配体的同时维持原有的三维多孔框架结构。XPS测试结果表明,UV/Ozone处理之后,在纳米金表面新形成了氧化膦,这是维持整个三维多孔结构的原因所在。之后,以三维多孔金自组装体为工作电极,研究其对硝基苯的电化学检测性能,发现除去杯芳烃配体,可以提高三维多孔金的电化学活性面积,但是其对硝基苯的电化学响应较差;相反,杯芳烃保护的三维多孔金对硝基苯具有很好的电化学检测能力,其线性检测范围为17 uM-2.6 mM,其原因是杯芳烃配体和硝基苯分子之间具有很强的相互作用力,能够提高电极对水中硝基苯分子的吸附能力。