镁合金微弧氧化与有机镀膜的复合表面改性及复合膜功能特性研究

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润湿性(如亲水性和疏水性等)是材料表面的一个重要特征,通过开发疏水及超疏水表面改性技术可以拓展材料的使用范围,特别是在自清洁、防腐蚀、防水、微流体、无损耗运输、精密模具的易脱模和减阻涂层等领域有着重要的应用价值。本课题从复合处理和润湿性能的研究方向着手,借助开发的微弧氧化技术和有机镀膜技术对镁合金进行复合表面改性,制备得到具有疏水和超疏水特性的复合膜层,得出主要结论如下:(1)微弧氧化工艺采用以硅酸钠、碳酸钠为主盐的无铬、无氟、无磷环保型碱性复合电解液体系,选用交流恒压、两电极同时成膜方式,最佳微弧氧化工艺为氧化电压180 V、氧化时间20 min,分别在AZ31和Mg-Mn-Ce镁合金表面成功制备了性能良好的微弧氧化膜,膜层主要由MgO、Mg及Mg2SiO4三相组成,厚度在1.08μm11.7μm之间;微弧氧化膜具有微纳多孔粗糙结构和高的表面自由能(76.05 mJ/m2),导致与蒸馏水接触时其接触角接近0°,表现为超亲水特性。(2)AZ31镁合金经微弧氧化改性后直接进行循环伏安有机镀膜处理,制备得到了疏水复合膜。有机镀膜循环伏安次数为3次时,复合膜具有最佳的疏水性能;复合膜表面较为致密而且具有微纳多孔粗糙结构和低的表面自由能(20.59 mJ/m2),使其与蒸馏水的接触角达113.7°,表现为疏水特性;疏水复合膜在0.1 mol/L NaCl水溶液中,与基体镁合金相比,极化腐蚀电流密度Icorr减小了3个数量级,而电化学阻抗模值Z提高了3个数量级,进一步提高了微弧氧化膜的耐腐蚀性能。(3)Mg-Mn-Ce镁合金微弧氧化改性后进行恒电流有机镀膜处理,制备得到了超疏水复合膜层。有机镀膜电流密度为0.1 mA/cm2、镀膜时间为20 min时,复合膜具有最佳的超疏水性能;复合膜层之间以化学键结合为主,复合膜仍具有微纳多孔粗糙结构和低的表面自由能(1.44 mJ/m2),同时存在化学成分分布的多样性和各向异性,使其蒸馏水接触角高达173.3°,但具有较大的接触角滞后性和粘附性,表现为高粘附性能的超疏水特性,微纳二重结构的构建及低表面能物质的修饰是实现镁合金超疏水表面制备不可或缺的两个条件;与基体镁合金相比,超疏水复合膜在3.5 wt. % NaCl水溶液中极化腐蚀电流密度Icorr减小了3个数量级,而电化学阻抗模值Z和电荷传导电阻Rct均提高了3个数量级,表现为类似纯电容行为,具有良好的电化学稳定性。
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