超疏水表面在镁合金上的制备及其性能应用研究

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镁及镁合金作为最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度/比刚度高、铸造性能和切削加工性能好以及回收率高等优点受到了人们的广泛关注,在航天航空、汽车制造、电子工业及国防军工等领域得到了日益广泛的应用,被誉为“21世纪绿色工程材料”。但是,镁合金的高化学活性引发的腐蚀,极大地限制了镁合金的应用范围。因此,提高镁合金的耐腐蚀性能对于其广泛应用具有重要意义,其中镁合金的表面改性技术是一种低成本、简单、有效且易于实施的方法。超疏水表面具有自清洁、抗腐蚀、防污、油水分离等多种特殊功能,在自清洁、减阻、金属防腐、国防建设领域中有着广阔的应用前景。镁合金在潮湿的大气环境和溶液环境中都极易发生腐蚀,而超疏水表面具有高度的拒水能力,可以有效地阻碍镁合金表面被润湿,避免镁合金与腐蚀溶液直接接触,因而在镁合金上制备超疏水表面是一种很有效的防腐方法。而且超疏水表面所具有的其他特殊功能也可以扩大镁合金的应用范围。本论文中,我们采用首先构筑粗糙结构再降低表面能的两步法,以电沉积为主的制备技术,在镁合金上成功地制备出三种不同组成且性能良好的超疏水表面:(1)耐腐蚀的超疏水氧化铜表面;(2)耐机械摩擦、抗腐蚀的自清洁超疏水镍表面;(3)高耐腐蚀耐磨的自清洁性超疏水Ni-Co表面,同时对其结构和有关性能进行了详细表征。(1)耐腐蚀性超疏水氧化铜表面的研究。采用电沉积和碱性阳极氧化处理相结合的方法首先在镁合金上构筑羽毛状氧化铜复合结构,再利用十二烷酸降低其表面能制得超疏水氧化铜表面,接触角为155.5±1.3°,滚动角为3°。极化测试表明,具有超疏水表面试样的自腐蚀电位向正移动了1255mV,腐蚀电流密度降低约1个数量级;中性3.5wt.%NaCl腐蚀介质浸泡实验显示,浸泡1440min后,超疏水表面的膜值依然较高于镁合金基体,说明超疏水表面能有效提高镁合金的耐蚀能力。分析了镁合金表面疏水性的形成原因并获得最优的工艺参数,同时探讨了超疏水表面的抗腐蚀机理。此外,获得的超疏水表面还具有高的硬度。(2)耐磨、抗腐蚀性自清洁超疏水镍表面的研究。采用电沉积技术在镁合金上构筑松球状复合结构的镍镀层,再经十八烷酸修饰制得超疏水表面,接触角高达163.3±0.7°,滚动角为1°。中性3.5wt.%NaCl腐蚀介质极化测试和浸泡实验表明,含有超疏水表面试样的自腐蚀电位提高了1208mV,腐蚀电流密度降低了2个数量级,腐蚀速率降低约3个数量级,且浸泡48h后仍具有较高膜值,显示出良好的腐蚀保护作用。耐摩擦实验表明在摩擦700mm后,超疏水表面的接触角仍高于150°,显示出良好的机械耐磨性。同时,超疏水表面还具备自清洁作用,良好的化学稳定性及长期稳定性。(3)高耐腐蚀、耐磨自清洁性超疏水Ni-Co表面的研究。在镁合金上利用电沉积法构筑花状复合结构的Ni-Co合金镀层,再降低其表面能制得超疏水表面,接触角高达167.3±1.3°,滚动角为1°。极化测试表明,相对于未处理的镁合金试样,超疏水镁合金的自腐蚀电位提高了1425mV,腐蚀电流密度和腐蚀速率均降低3个数量级;且电化学阻抗谱测试表明,超疏水镁合金的膜值提高了3个多数量级,说明制得的超疏水表面可以大幅度提高镁合金的耐蚀能力。耐摩擦实验表明,在摩擦1200mm距离后,超疏水表面的接触角仍高于1500,显示了良好的耐磨性能。此外,超疏水表面还具有自清洁功能,良好的化学稳定性和长期稳定性。
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