تأثیر گرافن اکساید بر خواص خوردگی و چسبندگی پوشش ها

آلیاژهای منیزیم به علت خواص بی نظیری از قبیل چگالی کم، نسبت استحکام به وزن بالا، زیست پذیری و توانایی ریخته گری خوب در صنایع مختلف هوافضا، خودروسازی، صنایع الکتریک و غیره کاربرد دارد. آلیاژ منیزیم می تواند جایگزین مناسبی برای آلیاژهای آلومینیوم باشد اما مقاومت بر خوردگی و سایش پایین تر آن، استفاده از منیزیم را محدود می کند. برای رفع این محدودیت، استفاده از یک پوشش مقاوم در برابر خوردگی می تواند یک کمک بالقوه برای آلیاژهای منیزیم باشد. امروزه روش های مختلفی برای پوشش دهی آلیاژهای منیزیم مانند پوشش های تبدیلی، اکسیداسیون آندی، رسوب فاز بخار، آبکاری و اکسیداسیون الکترولیتی پلاسما و به کار می رود.

به تازگی، گرافن در حوزه تریبولوژیکی علاقه های چشمگیری را به خود جلب کرده است. با این حال ، این شامل گروههای عاملی سطح با پراکندگی محدود در حلال ها است. اکسید گرافن آب دوست (GO) یک مشتق اکسیدی از گرافن است و می توان آن را به راحتی در حلال های قلبی پراکنده کرد و همین امر باعت شده تا با استفاده از فناوری الکتروشیمیایی، آن را تبدیل به ماده ای آسان برای ساختن پوشش های کامپوزیتی کند. شبیه به ساختار گرافن، انتظار می رود من به عنوان یک خودروان کننده خوب جامد باشد.

پوشش های آلومینا مبتنی بر سل-ژل که در سطح منیزیم تولید شده اند، میزان خوردگی آنها را در محلول  NaCl 3.5% کاهش می دهد. پوشش اکسید گرافن و همچنین پوشش گرافن اکساید کاهش یافته، مقاومت به خوردگی در مقایسه با مس افزایش یافته است. لیو و همکاران دریافت که ترکیب گرافن اکساید باعث کاهش اصطکاک و مقاومت در برابر سایش پوشش کامپوزیت Co / GO می شود.

موخرجی و همکاران پوشش های نانو لوله کربن و نانو صفحه گرافن را بر روی فولاد کم کربن با استفاده از اسپری پلاسما اتمسفری پوشش دادند، با اضافه کردن ۱%wt مدول الاستیک، چقرمگی شکست و سختی به ترتیب ۱۵%، ۲۱% و ۱۷٪ افزایش پیدا کرد. در حالی که با اضافه کردن 5/0wt% مدول الاستیک، چقرمگی شکست و سختی به ترتیب ۳۲%،160%،49% افزایش پیدا کرد. همچنین با اضافه کردن هر دو نانو لوله کربن و نانو صفحه گرافن، سختی، مدول الاستیک و چقرمگی شکست به ترتیب ۵۳%، ۴۸٪ و 200% افزایش پیدا کرد. جامباگی و همکاران با روش هترو کو گلیشن 1% wt نانو لوله کربن در پودر آلومینا به طور یکنواخت پراکنده کردند و چگالی ۹۵% با افزایش ۳۶% در چقرمگی شکست در پوشش آلومیناس نانو لوله کربن اسپری پلاسما شده به دست آمد. این و همکاران رفتار تریبولوژیکی پوشش های گرافن اکسید دوپ شده در آلومینا را گزارش کردند. آنها دریافتند که سرعت سایش آلومینا گرافن اکسید نسبت به پوشش گرافن اکسید پایین تر می باشد.

با توجه به نتایج فوق، مقاله حاضر باهدف به کارگیری توسعه پوشش آلومینا -گرافن اکسید روی فلز منیزیم و خوردگی در محلول سدیم کلرید 5/3% را بررسی می کند.

پودر آلومینا با اندازه دانه ۵۰ تاتومتر از شرکت USuano و گرافن اکسید از دانشکده مهندسی شیمی دانشگاه سمنان تهیه شد. برای پوشش دهی سطح نمونه ها ابتدا باید آماده سازی و پاکسازی سطحی انجام شود. برای این کار نمونه با ابعاد ۱*۱۰*۲۰ میلی متر را در ابتدا از سنباده ۴۰۰ تا ۱۲۰۰ از جنس سیلیکون کاربید به ترتیب سنباده زنی و سپس پولیش شد و بعد از آن نمونه ۱۰ دقیقه درون بشر حاوی آب مقطر، ۱۰ دقیقه درون اتانول و ۱۰ دقیقه درون استون قرار داده شده است.

سپس سطح نمونه را در دمای اتاق خشک و برای پوشش دهی آماده شده است.  wt1% آلومینا و 5%  Wt گرافن اکسید در آب مقطر ریخته شد. آب به مدت ۳۰ دقیقه تحت اولتراسونیک فرا گرفت. سپس برای یکنواختی بهتر به مدت ۲۴ ساعت بر روی همزن مغناطیسی قرار داده شد. سپس ۸ گرم پودر NaOH به محلول اضافه شد و مدت ۱۰ دقیقه بر روی همزن قرار گرفت. در این روش از آلیاژ AZ91D به عنوان آند و فولاد زنگ نزن به عنوان کاتد استفاده شده است. پوشش توسط یک منبع تغذیه با ولتاژ اعمالی ۱۰ ولت و مدت زمان بهینه ۲۰ دقیقه بر روی زیرلایه تشکیل شد. سپس برای چسبندگی بهتر پوشش و تشکیل فاز میانی All17Mg12 به منظور ایجاد چسبندگی بهتر نمونه به مدت ساعت در دمای ۴۰۰ در کوره تحت خلأ قرار داده شد.

برای بررسی تشکیل فازها، مخلوط پودر آسیاب شده تحت آنالیز پراش پرتوایکس قرار گرفته شد. بررسی صفحات اکسید گرافن و ریزساختار و مورفولوژی ذرات نانو کامپوزیت و پوشش ها از دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی ( FE -SEM ) – مدل TE – SCAN – MIRA 3ساخت کشور جمهوری چک استفاده شد. برای بررسی چسبندگی پوشش از روش CROSS – CUT مطابق استاندارد ASTM D3359 e2 استفاده شده است. آزمون پلاریزاسیون توسط دستگاه پتانسیواستات مدل OGF500 ساخت شرکت Ongaflex کشور فرانسه به همراه یک سلول الکتروشیمیایی سه الکترودی، برای نمونه تیتانیوم خالص و نمونه های حاوی پوشش انجام شد.

شکل 1 الگوهای پراش اشعه ایکس (XRD) پوشش های آلومينا  گرافن اکسید را بر روی آلیاژ منیزیم نشان می دهد. گرافن اکسید به دلیل مقدار کم در پراش اشعه ایکس مشاهده نمی شود. همان طور که مشخص است، فاز میانی  از واکنش بین سطح منیزیم و آلومینا آلفا به وجود آمده است که باعث چسبندگی بهتر بین سطح و پوشش می شود. بلندترین پیک ها در زاویه های به ترتیب مربوط به صفحات(۱۰۰) و(۱۰۳) است.

در شکل ۲ پوشش های تشکیل شده و تأثیر گرافن اکسید روی کاهش میکرو ترکهای سطحی که در حین عملیات حرارتی به دلیل اختلاف ضریب انبساط حرارتی پوشش و زیرلایه ایجاد میشوند را مشاهده می شود، پوشش اکسید گرافن میزان اتصال مکانیکی نانو ذرات آلومینا را افزایش داده و میزان انقباض در حین عملیات حرارتی را کاهش می دهد. پرکننده ها می توانند با ایجاد یک شبکه ی تقویت کننده قوی درزمینه ی آلومینا با مکانیزم پل زنی جلو رشد ترک را گرفته است. با افزودن گرافن اکسید به آلومینا خالص میزان ترکهای ناشی از عملیات حرارتی کاهش می یابد. با افزودن گرافن به آن خواص مکانیکی بهبود می یابد و همچنین ناپیوستگی های حرارتی کاهش می یابد و از طریق مکانیزم پل زنی جلو رشد ترک گرفته میشود. شکل ۲-الف پوشش حاوی آلومینا خالص را نشان می دهد که در این تصویر، میکروترکها بسیار زیاد و قطور هستند، در شکل ۲-ب پوشش با افزودن ۱ درصد وزنی اکسید گرافن را نشان می دهد. شکل ۲-ج پوشش کامپوزیتی با میزان ۳ درصد وزنی گرافن اکسید را نشان میدهد که مقدار میکرو ترکها خیلی کم شده و پوشش یکنواختی ایجاد شده است. تحقیقات نشان می دهد هرچه مقدار گرافن بیشتر باشد سطح زبرتر می شود. در شکل ۳ نمودار EDX از سطح پوشش تأکید بر حضور گرافن به عنوان یک آلوتروپ کربن دارد.

نتایج آزمون چسبندگی

چسبندگی پوشش به زیرلایه یکی از خواص مهم در پوشش های زیستی به شمار می آید و باعث کارایی بلندمدت آن می شود. افزودن گرافن اکسید به پوشش آلومینا باعث افزایش چسبندگی پوشش به زیرلایه آلیاژ منیزیم می شود. علت اصلی این قضیه، به صورت قطعی مشخص نشده است ولی چند فرضیه برای افزایش چسبندگی وجود دارد که در ادامه به تفصیل بیان شده است:

– افزودن اکسید گرافن به آلومینا سطح تماس بین پوشش و زیرلایه افزایش می دهد.

–  ورقه های اکسید گرافن باعث میشود ناپیوستگی های حرارتی(اختلاف ضریب انبساط بین زیرلایه و پوشش) کاهش پیدا می کند.

– ورقه های اکسید گرافن می تواند با اثر پل زنی، شبکه ی تقویت کننده در زمینه ی آلومینا باشد و کارایی در انتقال بار را افزایش می دهد .

– وجود فاز میانی یکی از علل افزایش استحکام چسبندگی می تواند باشد.

آزمون چسبندگی برای سه نمونه حاوی پوشش آلومینا با درصدهای مختلف گرافن اکسید انجام شد و تصویر آن در شکل ۵ نشان داده شده است. طبق استاندارد ASTM D3359- 09e2(شکل 4)پوشش حاوی آلومينا خالص دارای کمترین چسبندگی و میزان کنده شدن پوشش توسط در سطح 2B و برای پوشش حاوی5/0 و 1 درصد گرافن اکسید 4B می باشد. پوشش حاوی ۲ درصد گرافن اکسید بهترین چسبندگی در بین سایر نمونه ها را دارد و میزان کنده شدن پوشش بر حسب استاندارد در سطح B می باشد.

شكل 5: ازمون چسبندگی بر اساس استاندارد ASTM D3359 – 09e2 الف) پوشش آلومینا ب) پوشش آلومینا -5/۰ گرافن اکسید ج) پوشش آلومینا -1 گرافن اکسید د) پوشش آلومینا- ۲ گرافن اکسید.

بررسی خوردگی

EIS یک روش جایگزین مناسب برای نظارت مداوم به علاوه ماهیت غیر مخرب آن است. به منظور بررسی تأثیر افزودن آلومینا و گرافن اکسید بر خواص خوردگی منیزیم در محلول 5/3% NaCl از آزمون پلاریزاسیون پتانسیودینامیک استفاده شد. در فرآیند پوشش دهی باید بسیار دقت کرد تا پوشش نهایی متخلخل نشود و ترک نداشته باشد و دارای کیفیت خوبی باشد. در غیر این صورت پوشش متخلخل خود باعث افزایش سرعت خوردگی آلیاژ می شود.

نتایج آزمون طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی نشان می دهد هرچه که میزان مقاومت پوشش نسبت به عبور محلول خورنده کمتر باشد، میزان مقاومت در برابر خوردگی نیز کمتر خواهد بود. نتایج نشان می دهد که پوشش حاوی گرافن نسبت به پوشش های دیگر بیشترین مقاومت به خوردگی را دارند، زیرا همان طور که تصاویر میکروسکوپی پوشش ها نشان داده شد کمترین میزان ترک را دارند. قابل ذکر است که با افزایش درصد گرافن این میزان خوردگی باز هم کمتر خواهد شد که این مورد نیز با توجه به یکنواختی پوشش قابل توجیه است، هنگامی که 2% wt اکسید گرافن به ماتریس اضافه شد، مقاومت در برابر طیف مطلق مقاومت بالاتری نسبت به ماتریس داشت. چنین رفتاری نشان داد که تاتو ذرات گرافن اکسید می توانند به عنوان مانع نفوذ برای حرکت یون های خورنده ارائه شده در محیط آبی عمل کنند.

شكل الف- ۶ مؤید نمودار نایکوئیست است. نشان می دهد. نمودار بود در شکل ب-۶ نشان می دهد که در فرکانس های پایین هر چه میزان مدول مقاومت کمتر باشد، میزان مقاومت به خوردگی نیز کمتر است. در نمودار تغییر فاز شکل ج- 6 تموتهای کمترین میزان خوردگی را دارد که در فرکانس های پایین کمترین میزان زاویه را نشان دهد که در این نمودار نیز نشان می دهد که کمینه زاویه تقریبا ۵۰-۶۰ درجه است که مربوط به پوشش های حاوی گرافن می باشد.

شکل ۶ الف) نمودار نایکوئیست ب) نمودار بود و ج) نمودار فاز آلیاژ منیزیم AZ9ID و پوشش های آلومینا1/گرافن اکسید ،آلومينا/2 گرافن اکسید

نتیجه گیری

پوشش آلومینا گرافن اکسید بر روی آلیاژ منیزیم AZ9ID رسوب داده شد و به مدت 1 ساعت در دمای ۴۰۰ برای تشکیل فاز مبانی و بهبود چسبندگی در کوره خلأ قرار داده شد. پراش اشعه ایکس تشکیل فاز میانی  را تائید می کند. با اضافه شدن گرافن اکسید به پوشش آلومینا، مقاومت به خوردگی سطح افزایش پیدا می کند. همچنین افزایش درصد گرافن اکسید از 5/0 – wtبه ۲/0wt گرافن اکسید با کاهش ناپیوستگی های حرارتی و اثر پلزنی باعث افزایش چسبندگی می شود.

منبع 

https://civilica.com/doc/963783/