碳纳米管_镍基复合镀层的腐蚀行为

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1、①碳纳米管/镍基复合镀层的腐蚀行为张刚,李绍禄,陈小华,王健雄,陈传盛,易国军,孙心瑗(湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082)摘要:采用复合沉积方法在普通碳钢基底上沉积碳纳米管/镍基复合镀层。用腐蚀实验、电化学方法研究了复合镀层在3.5%NaCl溶液中的耐腐蚀性能,并讨论了其耐腐蚀机理,对普通碳钢和纯镍镀层也进行了比较研究。结果表明:碳纳米管的加入显著提高了复合镀层的耐腐蚀性能;耐腐蚀的原因在于碳纳米管的复合镀层更加致密,隔离了腐蚀介质,并阻止了蚀坑的增大,同时,碳纳米管促进了镍的纯化,从

2、而提高镀层的耐蚀性。关键词:碳纳米管;复合镀层;腐蚀中图分类号:TG172.63;TG174.441;O646.531文献标识码:A复合镀是采用电镀或化学镀的方法将某些固体微粒与金属共沉积从而获得微粒弥散分布结构的复合镀层的方法1。复合镀层具有比单一镀层更好的耐磨、耐腐蚀及耐高温等性能,因而得到了广泛的应用。碳纳米管的管径为纳米级的自组装单分子材料,实验测得其弹性模量为1.8TPa2,弯曲强度为14.2GPa3,抗拉强度为钢的100倍,密度仅为钢的1/6~1/7,且耐强酸、强碱,在空气中973K以

3、下基本不被氧化,具有较好的热稳定性和化学稳定性。因此利用碳纳米管制备超强力学性能的复合材料是完全可行的,目前已引起人们的极大兴趣。虽然碳纳米管复合材料的研究取得了一定的成果,但在改善材料力学性能方面的进展有限。特别是对于金属基复合材料,碳纳米管难以均匀分散在基体中,且与基体金属在高温复合过程中形成的脆性界面削弱了界面的结合强度,降低了复合材料的力学性能4。因此,碳纳米管的均匀分散以及与基体的高强度结合是制备碳纳米管超强复合材料的关键。我们采用共沉淀技术,首先将改性后的碳纳米管在液相中分散,然后与金

4、属镍共沉积在碳钢表面上,形成复合镀层。碳纳米管经纯化和化学改性处理后,不但极大地改善了碳纳米管在溶液中的分散性,而且增加了与阴极基底的附着力,得到了分散均匀、结合较好的碳纳米管复合镀层。碳纳米管的加入明显改善了镀层的耐磨性和自润滑性5,6。本文作者着重研究了这种镀层的耐腐蚀性能,并对腐蚀机理进行了讨论。1实验1.1碳纳米管/镍基复合镀层的制备碳纳米管采用催化热分解法制备。采用溶胶凝胶法制备镍催化剂,乙炔为碳源,973K下在催化剂上生长出碳纳米管。将所得碳纳米管经3mol/L硝酸回流4h,再经去离子

5、水冲洗,烘干待用。图1所示为所得碳纳米管的TEM像。要发挥碳纳米管在复合材料中的增强作用,必须使碳纳米管能均匀地分散在基体中。由于碳纳米管的长径比达1000以上,加之本身对水溶液不浸润,在沉积过程中极易团聚而导致镀层表面粗糙和不均匀,因此能否在溶液中分散碳纳米管是一个关键的问题。为此,我们采用酸处理和添加表面活性剂的方式加以解决。酸处理不但可以除去金属催化剂颗粒等杂质,还可以在碳纳米管表面形成羧基、醛基和一些含氧功能团7,这极大地改善碳纳米管与溶液的浸润性;其次在溶液中添加表面活性剂,使得碳纳米管

6、形成荷电层;最后经超声辅助分散可将碳纳米管充分分散在溶液中。镀液配方及工艺条件:NiSO4·7H2O,250g/L;NiCl2·6H2O,35g/L;H3BO3,40g/L;C12H25SO4Na,①基金项目:国家自然科学基金资助项目(59972031)、湖南省自然科学基金资助项目(01JJY2052)和湖南大学重点基金项目资助收稿日期:20021216;修订日期:20030315作者简介:张刚(1978),男,硕士研究生.通讯联系人:陈小华,教授;电话:07318822663;Email:Hud

7、acxh@sohu.com第13卷第4期张刚,等:碳纳米管/镍基复合镀层的腐蚀行为·997·进行观测。1.3阳极极化曲线实验前样品用无水乙醇进行脱脂清洗。在室温下,以饱和甘汞电极为参比电极,铂电极为辅助电极,用HDV27型恒电位仪测量样品在腐蚀溶液为3.5%NaCl溶液中的阳极极化曲线。样品先在腐蚀溶液中浸泡30min,待电位基本稳定后进行阳极极化。1.4自腐蚀电位随时间变化曲线所用仪器与测量阳极极化曲线所用仪器相同。每隔10min记录1次腐蚀电位,2h后每隔1h记录1次。2结果与讨论2.1碳纳米

8、管/镍基复合镀层的形貌图2所示为碳纳米管/镍基复合镀层的形貌。从图2(a)中可以看到:碳纳米管均匀分布于镀层表面,大量的碳纳米管镶嵌于镍晶粒以及晶界中,镀图1碳纳米管的TEM像Fig.1TEMimagesofcarbonnanotubes(a)—Beforepurified;(b)—Afterpurified0.2g/L;pH值为4.5~5.0;电流密度为2~3A/dm2;温度为48℃;所有试剂均为分析纯,用去离子水溶解。试样规格为30mm×20mm×1mm,材质为碳钢,施镀前做化

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