華南理工大學張心亞Corros.Sci.：氧化石墨烯在磷酸鋅塗層上的妙用

【引言】

鋼鐵，世界上應用最廣泛的工程材料，其防腐蝕性具有重要意義，如今已研究出多種有效的方法改善鋼材的耐腐蝕性能。其中磷酸鹽塗層由於其經濟性及良好的耐磨性，廣泛應用於鋼鐵的預處理過程。此外，磷酸鹽塗層不僅可以提高耐腐蝕性，還能增強塗層的附著力，這在工業用途上有著重要意義。然而磷化工藝所需溫度較高，作用時間較長。為解決這一難題，從而達到降低生產成本，節約資源的目的，科學家們研發出了磷化工藝的加速劑，其可以有效地加速磷化過程並降低反應溫度，進而改善磷酸鹽塗層的性能。近日，有學者研究將氧化石墨烯(GO)作為磷化工藝的加速劑，可大大提高塗層的防腐蝕能力。

【成果簡介】

近日，華南理工大學張心亞教授（通訊作者）課題組在Corrosion Science上發布了一篇關於磷酸鹽塗層的文章，題為「A fast, low temperature zinc phosphate coating on steel accelerated by graphene oxide」。作者研究了氧化石墨烯(GO)對磷酸鹽塗層顯微組織和耐蝕性的影響。研究結果表明，GO可以有效地加速金屬鋅的磷化過程，提高磷酸鹽塗層的耐腐蝕性。

【圖片導讀】

圖1 單位面積磷酸鹽塗層質量(MPA)與氧化石墨烯(GO)濃度關係

GO影響磷化過程，導致磷酸鹽塗層具有不同的MPA。當磷化液中剛加入GO時，隨著GO濃度的增加，MPA不斷增加直至最大值21.7g/m2；當GO濃度超過1.2g/L時，隨著其濃度的增加，MPA不斷減少。

圖2 磷化液中磷酸鹽塗層的XRD圖譜

由XRD圖譜分析可知，磷酸鹽塗層的主要物相Zn3(PO4)2?4H2O。GO的添加沒有改變磷酸鹽塗層的相組成，但影響著磷酸鹽晶體的擇優生長取向。

圖3 磷化液中樣品的電位極化曲線

GO的添加有利於提高磷酸鹽塗層的耐蝕性。與標準樣品相比，添加GO後，磷酸鹽塗層的腐蝕電位增加，腐蝕電流減少。

圖4 電化學阻抗譜(EIS)

(a) 奈奎斯特圖;

(b) 伯德圖；

(c) 相位角圖。

圖5 磷酸鹽塗層的SEM圖

隨著GO的添加，磷酸鹽晶體的生長速率增加。磷化時間為1分種時，GP樣品出現明顯的晶體；磷化時間為8分鐘時，GP樣品被大量細小的磷酸鹽晶體所覆蓋。磷化處理完成後，隨著GO濃度的增加，磷酸鹽晶體的體積呈現出先減小後增大的趨勢。

圖6 根據EIS數據做出的等效電路圖

該等效電路由電荷轉移電阻(Rct)，溶液電阻(Rs)和恆定相元(CPE)組成。由於塗層表面的粗糙度，CPE用於替代雙層電(Cd1)。研究結果表明，GO的加入導致GP樣品的Rct值增加；當GO含量進一步增加後，Rct值反而會降低。

【小結】

這篇文章揭示了GO的添加可以加速磷化處理過程，改善磷酸鹽塗層的結構形態，增強其耐腐蝕性能。GO加入後，會被結構表面所吸收，形成沉積層；沉積層不斷捕獲金屬陽離子，進而促進了磷酸鹽晶體的形核。當GO的濃度優化為1.2g / L時，磷酸鹽塗層具有最均勻緊湊的結構，達到最強的耐腐蝕性。然而過量的GO會將鋼材表面覆蓋，限制其發生溶解反應，抑制磷酸鹽晶體的結晶，從而導致製備出的磷酸鹽塗層耐腐蝕性降低。

文獻鏈接：A fast, low temperature zinc phosphate coating on steel accelerated by graphene oxide (Corros. Sci., 1 September,2017,DOI: 10.1016/j.corsci.2017.08.033）

本文由材料人編輯部金屬學術組金晨供稿，材料牛編輯整理。

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