Антикоррозийная обработка

Антикоррозионные нанопокрытия представляют собой прекрасные решения проблем, связанных с коррозией. Уникальные свойства наноразмерных систем и наночастиц обеспечивают повышенную защиту от коррозии, стойкость и облегчают нанесение.

Антикоррозионные нанопокрытия могут быть металлическими, керамическими или композитными. Эти покрытия используются на машинах, предметах повседневного обихода, строительных материалах, деталях космических аппаратов, автомобилей и самолетов.

Коррозия является одним из наиболее изученных явлений в материаловедении, поскольку это важнейшая проблема, вызывающая деградацию, отказы, серьезные аварии и опасности во многих промышленных процессах и бытовых системах. Это определяется как разрушение материала (обычно металла) под воздействием агрессивных элементов окружающей среды, таких как кислород, хлор, фтор или углекислый газ. В результате этого взаимодействия между металлом и его окружением на материале образуются продукты коррозии, трещины или ямки. Несмотря на распространенное мнение, ржавчина - это не единственный результат коррозии, скорее это специфический продукт коррозии, связанный с железом и материалами на его основе. На самом деле продукты коррозии, образующиеся на алюминии и цинке, белые, в то время как продукт коррозии никеля зеленый, а продукт коррозии кобальта розовый. С другой стороны, иногда продукт коррозии не наблюдается, и коррозия вызывает только трещины и углубления в структуре металла. Повреждения от коррозии имеют экономические последствия, такие как затраты на ремонт и техническое обслуживание, потеря материалов, повреждение оборудования, снижение эффективности и потеря полезного или продуктивного срока службы. Помимо экономических последствий, коррозия оказывает также социальное воздействие, включая воздействие на безопасность (пожар, взрывы, выброс токсичных продуктов), воздействие на здоровье (травмы, загрязнение из-за загрязнения токсичными продуктами), истощение ресурсов и т.д. Глобальные затраты на коррозию оцениваются в 255 миллиардов долларов США. Эти экономические и социальные эффекты показывают, что антикоррозионные исследования имеют свои достоинства.

Роль нанопокрытий в предотвращении коррозии

Существует три различных подхода к антикоррозионным решениям: выбор материала, корректировка условий окружающей среды, катодное производство и модификация поверхности. Покрытие, которое является одним из методов модификации поверхности, является наиболее широко используемым методом предотвращения, минимизации или контроля коррозии. Широкий спектр материалов для нанесения покрытий и технологических процессов для различных применений и условий делает этот метод желательным подходом к предотвращению коррозии. Как правило, покрытия уменьшают коррозию, обеспечивая пассивную или активную защиту. Пассивная защита достигается, когда покрытие образует физический барьер из оксидов между подложкой и окружающей средой. Активная защита достигается при добавлении химических веществ (ингибиторов) в агрессивные среды для предотвращения коррозии. Ингибиторы сводят к минимуму скорость коррозии либо за счет химического поглощения на поверхности материала и образования защитной пленки, либо за счет реакции с коррозийным компонентом. Традиционные материалы для нанесения покрытий включают покрытия на основе полимеров, покрытия на основе хрома, нанопокрытия на основе циркония и т.д. Однако антикоррозионные материалы нуждаются в дальнейшем совершенствовании, чтобы обеспечить лучшую защиту и соответствовать требованиям развивающейся технологии. Вот тут-то и вступают в игру нанотехнологии.

Нанотехнологии являются отличным средством для обеспечения лучших антикоррозионных свойств, а также преодоления недостатков традиционных покрытий. Например, полимерные покрытия требуют нескольких слоев, в то время как покрытия на основе хрома печально известны своей токсичностью. Желательные свойства нанопокрытий обусловлены мелким размером частиц, большой площадью поверхности и различным поведением материалов на наноуровне. Мелкий размер частиц в нанопокрытиях позволяет заполнять и блокировать промежутки на поверхности металлов, предотвращая диффузию агрессивных материалов. Большая площадь поверхности обеспечивает лучшие адгезионные свойства, которые увеличивают срок службы покрытия. Кроме того, наноразмерные материалы обеспечивают лучшие механические, химические и электронные свойства, делая нанопокрытия прочнее и тверже, более устойчивыми к коррозии и износу. Например, в то время как микромасштабные цинковые покрытия демонстрируют плохую свариваемость, цинковые нанопокрытия решают эту проблему. Также возможно разработать многофункциональные антикоррозионные нанопокрытия с самовосстанавливающимися, самоочищающимися, чувствительными к коррозии и износостойкими свойствами. Кроме того, нанотехнологии используются для разработки интеллектуальных антикоррозионных покрытий, которые реагируют на внешние раздражители, такие как рН, влажность, тепло, стресс, искажение покрытия, электромагнитное излучение и т.д., выделяя контролируемые количества ингибиторов для устранения дефектов и повреждений.

Желаемые свойства антикоррозионных нанопокрытий используются в нескольких различных областях. Продукты, которыми ежедневно пользуются клиенты, такие как электронные устройства, очки и т.д., покрыты антикоррозийными слоями. В промышленности строительные материалы, такие как опорные леса, окна, воздушные фильтры и т.д., а также промышленное оборудование и автомобильные детали, используют антикоррозионные покрытия. Кроме того, металлические биоматериалы, используемые в медицине, такие как материалы для фиксации костей и имплантаты, требуют биофункциональных нанопокрытий. Антикоррозионные нанопокрытия также используются для защиты древесных материалов.

Производство антикоррозионных нанопокрытий

Существует несколько различных методов производства антикоррозионных нанопокрытий. Эти методы в основном делятся на три категории: механическое, физическое и химическое осаждение. Механическое осаждение является самым дешевым, следовательно, наиболее широко используемым методом осаждения и может быть достигнуто с помощью распыления, нанесения краски, отжима или погружения. Физическое осаждение может быть произведено либо склеиванием, либо конденсацией, либо распылением. Методы физического склеивания включают физическое диффузионное склеивание, которое выполняется при умеренных температурах и давлениях, пайку, которая выполняется при высоких температурах, поверхностно-активированное склеивание (SAB) и селективное лазерное спекание, которое является новой технологией 3D-печати. Методы конденсации включают физическое осаждение из паровой фазы (PVD), которое является особенно популярным методом осаждения в вакууме, и жидкофазную эпитаксию (LPE), которая выполняется при обычных условиях давления. Распыление является еще одним популярным методом осаждения, поскольку оно обеспечивает точный эпитаксиальный рост с прочными связями. Однако это более затратно по сравнению с методами склеивания и конденсации. Различные методы распыления включают молекулярно-лучевую эпитаксию (MBE), радиочастотный магнетрон и импульсное лазерное осаждение (PLD). Методы химического осаждения обычно дешевле, но обычно включают дорогостоящие прекурсоры. Следовательно, эти методы обычно предпочтительнее для мелкомасштабных применений. Методы химического осаждения включают известную золь-гель технику, ленгмюровское осаждение, атомно-слоевое осаждение и нанесение покрытий. Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Например, импульсное лазерное напыление позволяет получать плотные и однородные покрытия; однако они страдают от теплового расширения. Соответствующий метод нанесения покрытия должен быть выбран в соответствии с материалом подложки и областью применения. Оптимальная технология нанесения покрытия должна обеспечивать однородность, гладкость, адгезию, отсутствие трещин на поверхностях и минимальную агломерацию наночастиц.

Каковы наиболее важные антикоррозионные нанопокрытия?

В связи с растущим спросом на антикоррозионные нанопокрытия исследователи разработали несколько различных альтернатив с различными назначениями и коррозионными свойствами. Антикоррозионные нанопокрытия можно в основном разделить на три группы: металлические нанопокрытия, керамические нанопокрытия и нанокомпозитные покрытия. Керамические нанопокрытия включают оксид титана, оксид тантала, оксид алюминия, диоксид циркония и нанопокрытия на основе графена. Нанокомпозитные покрытия могут включать металлические или полимерные матрицы, содержащие несколько различных наноматериалов.

Металлические нанопокрытия

В качестве металлических антикоррозионных нанопокрытий используются такие металлы, как кадмий (Cd), никель (Ni), вольфрам (W), Цинк (Zn), фосфор (P), кобальт (Co), железо (Fe) и медь (Cu). Металлические нанопокрытия могут быть изготовлены из чистых металлов или сплавов металлов. Эти нанопокрытия используют различное поведение металлических материалов на наноуровне и превосходное распределение заряда металлов. Нанесение металлических нанопокрытий может быть достигнуто с помощью более чем одного метода. Наиболее часто используемыми методами нанесения металлических нанопокрытий являются напыление, многодуговое ионное покрытие и электроосаждение. Антикоррозионные свойства металлических нанопокрытий тесно связаны с различными факторами, включая состав, размеры покрытия, размер зерна, способ нанесения покрытия, добавки, рН окружающей среды и морфологию поверхности нанопокрытия. Никелевые сплавы, такие как Ni-W, Ni-Zn и Ni-P, вызвали значительный интерес в качестве металлических антикоррозионных покрытий. Кроме того, кобальт и кобальтовые сплавы рассматривались в качестве многообещающей замены токсичных хромовых покрытий. Состав сплава существенно влияет на коррозионную стойкость сплавов. Например, 13,31 мас.% (размер зерна 26 нм) и 17,62 мас.% (размер зерна 37 нм) содержания Ni показывают наилучшую коррозионную стойкость для сплавов Ni-Zn.

Нанокомпозитные покрытия

Нанокомпозитные материалы, которые включают по меньшей мере две несмешивающиеся фазы, также используются для антикоррозионных покрытий. Основной фазой в нанокомпозитных покрытиях является матрица, в которой находятся наполнители. Материалом матрицы могут быть полимеры, керамика или металлы. Наночастицы диспергируются в этих матрицах для улучшения свойств нанопокрытия. Однако полимерные материалы являются хорошими ингибиторами коррозии; они обладают низкой стойкостью к износу и царапинам. Также важно отметить, что полимерные матрицы обладают более высокой пористостью, следовательно, более проницаемы для агрессивных веществ. Наноматериалы, включенные в полимерную матрицу, обычно обеспечивают лучшую жесткость, прочность, проводимость, термостойкость; уменьшают тепловое расширение, воздействие растворителей, стоимость и химическую стойкость. Способ обработки полимерных нанокомпозитов важен с точки зрения достижения однородного распределения наполнителя, что приводит к лучшему улучшению свойств. Химические процессы, такие как полимеризация in situ, эмульсионная полимеризация, интеркаляция раствора и интеркаляция расплава. Считается, что из этих процессов полимеризация in situ и интеркаляция раствора дают наилучший полимерный нанокомпозит с точки зрения распределения наночастиц. Многостенные углеродные нанотрубки (MWCNT), Al2O3, оксид графен

Вывод

Предотвращение коррозии является давней заботой машиностроительной и производственной промышленности. Ингибирующие коррозионные реакции продлевают срок службы машин, предметов быта, зданий, материалов, используемых в космических аппаратах, автомобилях и самолетах. Уже более 200 лет в качестве антикоррозионных слоев используются различные материалы для покрытия, такие как лаки и краски. Однако с развитием технологий потребовались более совершенные антикоррозионные системы. На данный момент нанотехнологии используются для получения более качественных антикоррозионных покрытий. Уникальные свойства наноматериалов обеспечивают лучшую коррозионную стойкость при гораздо более тонких покрытиях. Наиболее часто используемые антикоррозионные нанопокрытия сгруппированы в три категории: металлические нанопокрытия, керамические нанопокрытия и нанокомпозитные покрытия. Металлические нанопокрытия обычно включают никель, кобальт, хром, вольфрам, цинк, фосфор и железо, в то время как керамические нанопокрытия включают оксид титана, оксид тантала, оксид алюминия, диоксид циркония и нанопокрытия на основе графена. Нанокомпозитные покрытия могут включать металлические или полимерные матрицы, содержащие несколько различных наноматериалов. Нанесение антикоррозионных нанопокрытий может быть достигнуто с помощью механических, физических или химических методов. Выбор метода нанесения является наиболее важным фактором, влияющим на свойства коррозионной стойкости покрытия. В дополнение к способу нанесения, размер зерна наноматериалов, состав, размеры покрытия, добавки, рН окружающей среды и морфология поверхности также влияют на антикоррозионные свойства нанопокрытий. Также возможно получение многофункциональных антикоррозионных нанопокрытий. Включение различных наночастиц в состав покрытий обеспечивает антикоррозионным нанопокрытиям самоочищающиеся, самовосстанавливающиеся и чувствительные к коррозии свойства. Антикоррозионные нанопокрытия покрытия обычно используются для обеспечения коррозионной стойкости металлических поверхностей. Однако они также используются на дереве, стекле или керамике. Несмотря на то, что антикоррозионные нанопокрытия прошли долгий путь и используются в нескольких различных областях применения, в этой области все еще есть возможности для роста и дальнейшего развития.