等離子體電解氧化(PEO)膜層因高硬度,強(qiáng)耐蝕性,良好的絕緣性、優(yōu)越的膜基結(jié)合性能,以及生產(chǎn)過程環(huán)境污染小等優(yōu)勢,廣泛應(yīng)用于工程領(lǐng)域。然而,PEO膜層本征的多孔結(jié)構(gòu)易成為腐蝕粒子的滲入通道和磨損脆性薄弱區(qū),限制其進(jìn)一步應(yīng)用。因此,需要制備低孔隙率的陶瓷膜層解決上述問題。近年來,很多學(xué)者通過在PEO膜層表面涂覆高分子材料或者在電解液中直接添加填充顆粒制備低孔隙率陶瓷膜層,但是由于涂覆膜層與陶瓷膜層性質(zhì)上的差異及填充顆粒的團(tuán)聚問題,導(dǎo)致涂覆層與膜層、填充顆粒與膜層間存在明顯界面,限制陶瓷膜層的應(yīng)用。現(xiàn)階段迫切需要找到一種原位自封孔技術(shù),在保證低孔隙的同時提高膜層的耐蝕性能。
針對上述問題,來自長安大學(xué)陳永楠教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)占海飛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合設(shè)計(jì)并在鈦合金表面采用PEO技術(shù)制備了一種原位超低孔隙率的高耐蝕陶瓷膜層,利用氧化石墨烯的導(dǎo)電特性,調(diào)控PEO反應(yīng)能量釋放過程及放電行為,達(dá)到超低孔隙率的同時,提升了膜層的耐蝕性能。
本研究在鈦合金表面通過PEO技術(shù)合成了具有超低孔隙率的GO/TiO2高耐蝕復(fù)合陶瓷膜層。研究發(fā)現(xiàn),通過氧化石墨烯調(diào)節(jié)反應(yīng)過程得到的膜層具有超低的孔隙率(1.1%),其遠(yuǎn)低于通過添加填充顆粒制備的陶瓷膜層,與兩步法封孔所制備膜層相同。同時,氧化石墨烯促進(jìn)了膜層中連通孔向單一獨(dú)立孔的轉(zhuǎn)變,改善了孔形貌,有效地改善了膜層的耐蝕性能。本研究針對PEO膜層中的多孔問題,提出了一種工藝簡單,孔結(jié)構(gòu)可控和耐蝕效果明顯的新技術(shù)。
本研究設(shè)計(jì)了一種原位制備超低孔隙率高耐蝕膜層的新方法。利用氧化石墨烯調(diào)控反應(yīng)過程及放電行為,在鈦合金表面實(shí)現(xiàn)了孔隙率和孔形貌可控的高耐蝕膜層的制備。預(yù)計(jì)此原位PEO工藝可以應(yīng)用于鋁、鎂合金等輕合金的表面強(qiáng)化處理并廣泛的在工程領(lǐng)域得到應(yīng)用。
該成果以“One-step Plasma Electrolytic Oxidation with Graphene Oxide for Ultra-low Porosity Corrosion-resistant TiO2 Coatings”為題發(fā)表在Applied Surface Science期刊上。第一作者為長安大學(xué)學(xué)生郭紫薇博士,通訊作者為長安大學(xué)陳永楠教授和趙秦陽博士及浙江大學(xué)占海飛教授,合作者還包括長安大學(xué)徐義庫教授、郝建民教授及西北有色金屬研究院的趙永慶教授等。
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https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.153477
圖1. 不同氧化石墨烯添加量膜層表面形貌:(a) 0g/L,(b) 5g/L,(c) 20g/L; (d)不同GO/TiO2涂層的表面孔隙率、孔徑和表面粗糙度; (e) 不同表面處理方法的表面孔隙率比較。
圖2. (a) 不同GO/TiO2膜層層的縱橫比和孔形貌分布比例;(b) GO/TiO2膜層中孔隙的三維建模;不同GO/TiO2膜層中不同縱橫比的孔隙分布:(c) 0g/L,(d) 5g/L,(e) 20g/L。
圖3. 不同GO/TiO2膜層 (a) Nyquist圖,(b) 比表面積圖,(c) 動電位極化曲線圖。(d) 不同表面處理膜層的電流密度比較。
圖4. (a) PEO過程的電壓-時間響應(yīng); (b) 不同GO/TiO2膜層的電解液在不同PEO階段的電導(dǎo)率; (c) 不同GO/TiO2涂層的XRD圖譜;(d) 不同GO/TiO2涂層的紅外光譜;(e) 不同GO/TiO2涂層的拉曼光譜;(f) 超低孔隙率膜層的形成機(jī)理圖。
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