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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

作　者: 赖晓明
导　师: 康志新
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金微弧氧化有机镀膜复合表面改性润湿性耐腐蚀性
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

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I_corr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I_corr减小了3个数量级,而电化学阻抗模值Z和电荷传导电阻R_ct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。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-24
  1.1 引言  11-12
  1.2 镁合金微弧氧化工艺及其涂层性能研究和应用概况  12-16
    1.2.1 微弧氧化电解液体系的研究概况  12
    1.2.2 微弧氧化工艺及其研究进展概况  12-15
    1.2.3 微弧氧化工艺的研究前景展望  15-16
  1.3 镁合金表面有机镀膜工艺研究及应用概况  16-17
    1.3.1 镁合金表面有机镀膜工艺概况  16
    1.3.2 镁合金表面有机镀膜工艺应用及前景概况  16-17
  1.4 镁合金超疏水表面的研究进展及应用概况  17-19
    1.4.1 镁合金超疏水表面的应用及前景概况  17-18
    1.4.2 镁合金超疏水表面的研究进展概况  18-19
  1.5 镁合金表面复合处理技术研究概况  19-21
  1.6 本课题研究的目的、意义和内容  21-23
    1.6.1 研究目的和意义  21-22
    1.6.2 研究内容  22-23
  1.7 本课题来源  23-24
第二章实验材料及方法  24-31
  2.1 实验材料  24-26
    2.1.1 试验材料及试样前处理  24
    2.1.2 微弧氧化电解液的选择及配置  24-25
    2.1.3 有机镀膜电解质溶液的选择及配置  25-26
  2.2 复合膜层的设计  26
  2.3 复合膜层的制备工艺  26-29
    2.3.1 微弧氧化工艺  26-27
    2.3.2 有机镀膜工艺  27-29
  2.4 复合膜层的表面特征与性能测试  29-31
    2.4.1 复合膜层的表面特征  29
    2.4.2 复合膜层的润湿性能  29-30
    2.4.3 复合膜层的腐蚀性能  30-31
第三章镁合金微弧氧化工艺开发与优化  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 微弧氧化工艺初选  31-34
    3.2.1 环保型电解液配方的可行性分析  31-32
    3.2.2 环保型微弧氧化复合电解液体系的选择  32
    3.2.3 环保型微弧氧化复合电解液配方的确定  32-34
    3.2.4 微弧氧化工艺参数选择与优化方案确定  34
  3.3 微弧氧化膜的结构性能与工艺优化分析  34-41
    3.3.1 微弧氧化实验现象及成膜过程分析  34-35
    3.3.2 微弧氧化电压对膜层形貌特征的影响  35-37
    3.3.3 微弧氧化电压对膜层厚度的影响  37-38
    3.3.4 微弧氧化电压对膜层硬度的影响  38-39
    3.3.5 微弧氧化膜润湿性能研究  39-41
  3.4 本章小结  41-43
第四章 AZ31 镁合金表面疏水复合膜层的制备及性能研究  43-58
  4.1 引言  43
  4.2 AZ31 镁合金微弧氧化膜层  43-46
    4.2.1 微弧氧化膜层的表面形貌  43-45
    4.2.2 微弧氧化膜层的相组成  45-46
  4.3 AZ31 镁合金表面复合改性过程及表面特征  46-49
    4.3.1 循环伏安有机镀膜电化学反应过程  46-48
    4.3.2 复合膜层的微观形貌特征  48-49
  4.4 复合膜层的润湿特性分析  49-51
    4.4.1 复合膜层的润湿性能表征  49
    4.4.2 复合膜表面疏水特性形成机理  49-50
    4.4.3 循环伏安次数对复合膜表面疏水特性的影响  50-51
  4.5 微弧氧化膜层与复合膜层的腐蚀性能  51-56
    4.5.1 电化学行为分析  51-55
    4.5.2 氯化钠浸泡腐蚀特征  55-56
  4.6 本章小结  56-58
第五章 Mg-Mn-Ce 镁合金表面超疏水复合膜层的制备及性能研究  58-82
  5.1 引言  58-59
  5.2 Mg-Mn-Ce 镁合金微弧氧化膜层  59-61
    5.2.1 微弧氧化膜层的表面形貌  59-60
    5.2.2 微弧氧化膜层的物相及成分分析  60-61
  5.3 Mg-Mn-Ce 镁合金表面复合改性过程及表面特征  61-67
    5.3.1 恒电流有机镀膜电化学反应过程  61-63
    5.3.2 复合膜层的表面特征分析  63-65
    5.3.3 复合膜层之间的结合方式分析  65-67
  5.4 微弧氧化膜层与复合膜层的润湿特性  67-75
    5.4.1 微弧氧化膜和复合膜表面润湿性能表征  67-70
    5.4.2 复合膜层表面超疏水及高粘附性能形成机理  70-73
    5.4.3 恒电流有机镀膜时间对超疏水性能的影响  73-74
    5.4.4 超疏水复合膜的物理稳定性分析  74-75
  5.5 超亲水微弧氧化膜与超疏水复合膜的耐腐蚀性能  75-80
    5.5.1 电化学行为分析  75-79
    5.5.2 中性盐雾加速腐蚀实验特征  79-80
  5.6 本章小结  80-82
结论  82-86
参考文献  86-95
攻读硕士学位期间取得的研究成果  95-97
致谢  97-98
附件  98

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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