铝合金和镁合金的表面硅烷化处理研究

论文摘要

金属硅烷化处理是近年金属腐蚀防护领域中迅速发展起来的一种有望代替铬酸盐的绿色环保型处理技术。该技术基于硅烷分子水解后的硅羟基能和金属氧化物反应以及硅烷分子自身缩合形成无机/有机膜层的特点,以浸泡方式或电化学辅助沉积方式在金属表面制备具有疏水性能的膜层。这种膜层不仅能对金属基体提供保护作用,同时能够提高金属和涂层之间的附着力。硅烷化处理技术经过人们不断研究和发展,至今已取得许多重要成果,部分技术已在工业中得到应用,如对镀锌钢的防腐。然而该技术仍不完善,现有技术制备的膜层存在薄、易水解、非均质等缺点,特别是对自腐蚀电位较低的金属防护能力差,如铝合金、镁合金,限制了该技术的应用。本文针对当前铝合金、镁合金硅烷化处理技术的难点,在前人研究的基础上,分别在硅烷溶液添加辅助沉积剂和膜层改性剂,优化膜层制备条件,提高膜层的厚度、致密性,改善膜层的组成结构,增强膜层的抗腐蚀性能。实验结果如下: 1、本实验在低阴极沉积电位条件下,以表面活性剂改性硅烷溶液,实现了双-1,2-[3（三乙氧基）硅丙基]四硫化物BTSPS在铝合金电极表面的电化学沉积,新的临界沉积电位（NCCP）约为-1.6 V。交流阻抗EIS和极化曲线测试结果表明,在改性后的硅烷溶液中双-1,2-[3（三乙氧基）硅丙基]四硫化物在铝合金表面的低阴极电位沉积膜层具有较高的极化阻力。扫描电镜（SEM）结果显示在低阴极沉积电位下铝合金表面能得到更厚、更致密的硅烷膜层。硅烷溶液中表面活性剂的加入可以降低硅烷电沉积时的析氢影响,提高硅烷的沉积性能。较低临界沉积电位制备的硅烷覆盖铝合金电极比临界沉积电位（-0.8 V）下的硅烷覆盖铝合金电极具有更好的抗腐蚀性能。2、在硅烷浸泡沉积的基础上,在溶液中加入添加剂B改善膜层的化学结构。交流阻抗EIS和极化曲线测量表明,在膜层中掺入添加剂B能有效提高膜层的极化电阻和孔隙电阻,增强膜层的抗腐蚀能力。衰减全反射-傅里叶变换红外光谱法FTIR– ATR测试显示,加入添加剂后,膜层的化学结构特征发生变化,证明添加剂已成功掺杂入硅烷膜层。实验中添加剂B的最佳加入浓度为9.7 %,该条件下制备的膜层对镁合金具有最好防护效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 铝合金以及镁合金的性质及发展前景
• 1.2 常规铝合金、镁合金表面处理方法
• 1.2.1 铬酸盐钝化技术
• 1.2.2 磷酸盐转化膜技术
• 1.2.3 阳极氧化技术
• 1.2.4 其他表面处理技术
• 1.3 新型金属表面防腐处理技术—硅烷化处理技术
• 1.3.1 硅烷化处理技术简介
• 1.3.2 硅烷的防腐蚀机理
• 1.3.3 硅烷化处理技术的研究进展
• 1.3.4 影响硅烷沉积的因素
• 1.3.4.1 金属基体前处理
• 1.3.4.2 硅烷溶剂的选择
• 1.3.4.3 pH 值得影响
• 1.3.4.4 硅烷成膜的固化温度和时间
• 1.4 本论文的主要研究内容和创新工作
• 1.4.1 本课题研究的主要内容
• 1.4.1.1 铝合金表面低电位电化学辅助沉积
• 1.4.1.2 镁合金表面硅烷膜层的化学改性
• 1.4.2 本课题研究的研究意义
• 第2章 铝合金表面硅烷低电位电化学辅助沉积
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验药品
• 2.1.2 实验仪器及设备
• 2.1.3 实验方法
• 2.1.3.1 铝合金电极的制备
• 2.1.3.2 硅烷溶液的配制以及膜层的制备
• 2.1.3.3 硅烷膜极化曲线测量
• 2.1.3.4 硅烷膜交流阻抗曲线测量
• 2.1.3.5 扫描电镜
• 2.2 实验结果与讨论
• 2.2.1 交流阻抗 EIS 测试
• 2.2.1.1 四硫化物硅烷空白溶液中低电位制备硅烷膜的EIS 图
• 2.2.1.2 改性四硫化物硅烷溶液中低电位制备硅烷膜的EIS 图
• 2.2.1.3 高电位和低电位条件下所制备的膜层抗腐蚀比较
• 2.2.1.4 硅烷膜层等效电路以及各元件参数的拟合
• 2.2.2 硅烷膜层的动电位极化曲线分析
• 2.2.3 改性前后不同膜层的SEM 图
• 2.3 结论
• 第3章 表面活性剂对硅烷电化学辅助沉积的影响
• 3.1 实验部分
• 3.1.1 实验药品
• 3.1.2 实验仪器及设备
• 3.1.3 实验方法
• 3.1.3.1 硅烷溶液的配制以及膜层的制备
• 3.1.3.2 硅烷膜极化曲线测量
• 3.1.3.3 硅烷膜交流阻抗曲线测量
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 交流阻抗 EIS 测试
• 3.2.1.1 不同浓度表面活性剂改性硅烷溶液后制备膜层的EIS 图
• 3.2.1.2 在不同浓度表面活性剂改性条件下制备膜层的低频阻抗值
• 3.2.1.3 在不同浓度表面活性剂改性条件下制备膜层的特征频率
• 3.2.1.4 硅烷膜层等效电路以及各元件参数的拟合
• 3.2.2 硅烷膜层的动电位极化曲线分析
• 3.2.3 极化曲线研究表面活性剂在硅烷电化学辅助沉积过程中的作用机理
• 3.3 结论
• 第4章 镁合金表面硅烷膜层的化学改性
• 4.1 实验部分
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.1.3 实验方法
• 4.1.3.1 电极准备
• 4.1.3.2 不同浓度硅烷溶液的配制
• 4.1.3.3 镁合金电极表面硅烷膜层的制备
• 4.1.3.4 含添加剂B 的硅烷溶液的配制
• 4.1.3.5 含添加剂B 的硅烷膜层制备
• 4.1.3.6 硅烷膜极化曲线测量
• 4.1.3.7 硅烷膜交流阻抗曲线测量
• 4.1.3.8 红外光谱法
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 交流阻抗EIS 测试
• 4.2.1.1 不同硅烷浓度制备膜层的EIS 图
• 4.2.1.2 硅烷溶液中加入添加剂B 所制备膜层的EIS 图
• 4.2.1.3 改性前后硅烷膜层的等效电路以及各元件参数的拟合
• 4.2.2 改性前后硅烷膜层覆盖镁合金电极的动电位极化曲线分析
• 4.2.3 红外光谱检测改性前后膜层化学结构
• 4.2.4 添加剂B 对膜层的改性机理分析
• 4.3 结论
• 总结论
• 参考文献
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录
• 致谢