镁合金微弧氧化膜表面改性及其表面性质研究.docx

镁合金微弧氧化膜表面改性及其表面性质研究 无粉金具有密度低、比强、导电性好、耐候性好、耐磁性等特点。多孔材料可重复使用，环境美观。这被称为21世纪的“绿色工程材料”。然而，阿拉伯国旗具有高化学活性。它受到湿润空气、硫气和海洋大气的严重化学腐蚀，这极大地限制了阿拉伯国旗在工程领域的应用。因此，各种表面处理和表面精炼技术，如微弧氧化、化学转化和有机涂层，被开发应用于金属层的表面处理和纹理试验，以提高耐腐蚀性。 与此同时,由于润湿性(如亲水性和疏水性等)在人们的日常生活及工农业生产中都起着重要的作用,所以国内外在润湿性方面进行了广泛的研究[10,11,12,13,14,15]。通过开发疏水化及超疏水化表面改性技术,应用于材料表面可以改善其表面性能,疏水表面改性应用于金属材料可以提高其耐腐蚀性能,也可以应用于精密模具的易脱模,提高产品的良品率和模具寿命;超疏水表面改性可实现材料表面的自清洁、防水与防腐蚀,可用于微机电系统(Micro-electron-mechanical system MEMS)材料的减摩擦防粘着,微量液体无损耗运输等,拓展材料的使用范围。例如,利用开发的有机镀膜技术,在镁合金表面制备疏水性纳米薄膜或超疏水纳米薄膜,可以使其耐腐蚀性能明显改善,可适用于镁合金产品表面的自清洁、防水与防腐蚀,具有广阔的应用前景。 本文作者利用微弧氧化和有机镀膜技术对AZ31镁合金进行复合表面改性,以期实现镁合金表面疏水化功能改性及提高其耐腐蚀性能,研究所制备微弧氧化膜与复合膜的润湿性能和耐腐蚀性能。 1 实验 1.1 微弧氧化和有机地进行表面处理 实验所用材料为AZ31镁合金板材,试样尺寸为30 mm×50 mm×1.5 mm,依次用砂纸打磨至1200#,打磨后试样放置于丙酮液中,以防止氧化,使用超声波清洗器进行清洗10 min,以达到表面除油、除污的目的。微弧氧化采用Na2CO3、Na2SiO3、四硼酸钠和酒石酸钠为主的混合电解液体系,由主盐、p H调节剂、抑弧剂、表面活性剂、络合剂和表面平整剂等组成,以蒸馏水配制。有机镀膜溶液为含硫醇基—SH的三嗪类有机化合物钠盐(简称DHN,实验室自主设计合成,其分子式为C3N3S2HNa—N(CH3(CH2)5)2,结构式如图1所示)和支持电解质Na OH组成,浓度分别为5 mmol/L和0.15 mol/L。所使用的试剂均为分析纯。 1.2 冷却系统的优化 微弧氧化工艺采用恒压模式,两电极同时成膜,频率50 Hz,处理电压为180 V,处理时间为20 min,反应过程不断搅拌,利用冷却系统和搅拌系统使溶液温度均控制在30℃左右以制备微弧氧化膜。然后利用开发的有机镀膜技术,在微弧氧化膜表面进行复合有机镀膜改性处理,利用IM6ex电化学工作站(Zahner,德国),以三电极方式的循环伏安法进行有机镀膜,工作电极为微弧氧化改性后的镁合金试样,对电极为不锈钢片(SUS304),参比电极为饱和甘汞电极(SCE),循环次数为3次,试验温度为25℃。 1.3 微弧氧化膜及复合膜的电化学性能 采用Quan TA200环境扫描电子显微镜(FEI,荷兰)及VK-9700激光共聚焦扫描显微镜(Keyence,日本)对微弧氧化膜及复合膜的微观形貌特征、表面粗糙度进行分析;利用OCA35视频自动接触角测量仪(Dataphysics,德国)分别对微弧氧化膜及复合膜的蒸馏水静态接触角和表面自由能进行测定;通过IM6ex电化学工作站进行0.1 mol/L Na Cl水溶液的动电位极化和电化学阻抗测试及3.5%NaCl水溶液的120 h浸泡腐蚀实验分别对微弧氧化膜及复合膜的耐蚀性能进行分析;动电位极化曲线测试采用三电极体系,其中参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为铂电极(Pt),工作电极为用聚酰亚胺封装的待测试样,暴露面积为1 cm2,扫描速率为1 mV/s;电化学阻抗测试频率范围为100 mHz~30 kHz,交流信号振幅为5 mV;最后对比研究复合改性前、后材料的润湿性能及耐腐蚀性能。 2 结果与讨论 2.1 微弧氧化膜的表征 为了更好地分析微弧氧化膜的微观结构对其表面润湿性能的影响,以及进一步理解后续复合表面改性有机镀膜过程,首先对微弧氧化膜的形成过程、微观形貌特征和化学组成进行了研究。 图2所示为微弧氧化过程中AZ31镁合金试样微弧氧化膜的表面形貌。由图2(a)可知:当电压升至120 V(起弧电压)时,试样表面出现密集而细碎的微弧等离子放电;快速增加电压至180 V,此时,放电火花布满整个试样表面,并有大量气泡析出。由于微弧等离子放电的产生总发生在膜层最薄弱的位置,使这些放电火花总是处于不断的运动之中,试样很快变成一个白亮的发光体。且随着处理时间的延长,放电火花数量逐渐减少,颜色也由白色逐渐转变为橘黄色。微弧