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纳米CeO2/Zn金属基复合材料在锌镀层中的应用_材料

2013-04-24 01:32

【摘   要】锌镀层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力，为达到提高其耐蚀能力目的，文章探讨了纳米CeO2/Zn金属基复合材料在锌镀层中的应用，并从其应用的优越性和可行性方面作了分析。
　　【关键词】锌镀层；耐蚀；纳米氧化铈；金属基复合材料
  

      锌镀层用于防止钢铁制品的锈蚀，已有200多年的历史，至今，它在钢铁材料防蚀涂层中仍占有重要的地位。锌镀层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力，镀层的耐蚀能力越强，则镀层的使用寿命就越长。随着日益发展的科技与经济的需要，如何更好的改善镀层的耐蚀能力对镀层材料提出了更高的要求。
      一、土元素在镀锌防腐蚀应用研究中的进展
　　随着对稀土材料的开发研究，人们逐渐认识到其优越性，并将其应用在不同领域。20世纪80年代，Hinton和Wilson首次研究了稀土对纯锌的缓蚀作用，发现1.0g/L的CeCL3可使纯锌的腐蚀速率降低到原来的1/10，使电镀锌的腐蚀速率降低到原来的1/2，腐蚀试验完毕后纯锌和电镀锌表面形成了一层黄色的膜。之后，Hinton进一步研究了纯锌和电镀锌表面的稀土转化膜的成分和结构，发现膜中主要组成物质是CeO2和Zn，并且Ce是以四价形式存在于膜中的。昆明理工大学的郭忠诚副教授在1996年第5期的《金属学报》中发表过一篇《稀土对复合镀工艺及镀层性能的影响》，研究了稀土对Ni-SiC复合镀工艺及镀层性能的影响。结果表明，添加适量的稀土能显著地提高复合镀层中微粒的含量、硬度和耐磨性。
　　已有研究表明，加入稀土氧化物CeO2所产生作用如下：
　　1．稀土元素细化微观组织结构，减小第二相树状晶体间距和涂层夹杂物含量；
　　2．稀土元素的加入对减少涂层金属材料在基体上的扩散是很有效的；

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　　3．稀土元素可以增大衍射角，降低晶体面间距和点阵常数；
　　4．稀土元素的加入提高抗腐蚀性能，钝化显著提高，腐蚀速率明显降低。
　　但是，稀土元素对于降低镀层腐蚀速率幅度与人们的期望值相比还略显不足，故此工艺也未能在生产中获得广泛应用。
      二、纳米金属基复合材料的优越性分析
　　在镀层中添加纳米微粒改善锌镀层的耐蚀性，是在纳米技术之上建立起来的新方法。纳米微粒具有很多独特的物理及化学性能包括表面效应，体积效应，量子尺寸效应，宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性质。纳米材料这种非凡的特性赋予了这种方法广泛的发展前景，值得进一步深入研究。材料的分子尺度或纳米尺度设计是目前高性能复合材料研究的前沿科学。 Roy和Kormameni等于1984年首次提出了纳米复合材料（nanocomposite）的概念，即复合物的分散相至少有一相的一维尺度在100 纳米以下。由于纳米复合材料的基体相和分散相的界面面积特别大，如果能把分散相和基体相性质充分的结合起来，将大大改进和提高材料的性能。纳米颗粒在基体相中的作用不仅仅是补强，还能赋予基体很多别的性能。如由于其粒子尺寸小，透光性好，将其加入塑料中可以使塑料变得很致密。在半透膜中添加纳米材料后，不但透明的程度增加，韧性、强度也有所改善，且防水性大大增强。经过测试，纳米复合材料的性能优于同组分的常规复合材料。因此，制备纳米复合材料是获取高性能材料的有效方法之一。纳米复合材料按基体材料类型可以分为3种：金属基纳米复合材料、陶瓷基纳米复合材料、聚合物基纳米复合材料。金属基纳米复合材料是由纳米级的金属或非金属粒子均匀地弥散在金属及合金基体中而成，较之传统的金属基复合材料，其比强度、比模量、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度的提高。从国内外文献报道情况来看，目前，世界各国所发展的纳米复合材料多局限于聚合物材料中，而采用纳米粉体改性整体金属材料方面所做的工作却比较少。这是因为对于金属材料基体而言，尚无特别好的分散方法对团聚状态的纳米粉体进行分散。纳米金属基复合材料是一个尚未开发的处女地，是很有前景的一种新材料，这也是本课题需要解决的难点。
      三、纳米氧化铈/锌金属基复合材料的制备和应用
　　金属基纳米复合材料的制备比聚合物基纳米复合材料要复杂和困难得多，这与金属的固有物理、化学特性有关。目前，制备金属基纳米复合材料的主要难点在于：
　　1．巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如何能将这些纳米单元体分散在金属基体中构成复合材料，使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体以充分发挥其纳米效应是合成金属基纳米复合材料必须解决的首要问题。然而迄今为止尚无十分有效的分散方法对团聚状态的纳米粉体在金属基体中进行分散。

2．为保证与纳米增强相能进行良好的复合，基体金属必须具有足够的流动性、成型性。但基体金属一般均具有较高的熔点，因此，金属基纳米复合材料在高温制备时势必会发生严重的界面反应、氧化等有害的化学反应如何严格控制界面反应是制备高性能金属基纳米复合材料的又一关键所在。
　　3．金属基体与纳米第二相之间浸润性差，甚至不浸润，必须设法对纳米微粒进行适当的表面处理以改善与（下转第61页）(上接第62页）基体的浸润性。   
      本课题拟制备纳米氧化铈/锌金属基复合材料，纳米稀土粉末由于其粒度非常细小、比表面能特别大，通常处于团聚状态，如果将其直接加入到热镀锌镀液中，其团聚现象将更为严重，而且还会产生偏聚。为此，拟采用粉末冶金方法先制备出纳米CeO2/Zn复合材料，作为中间体将纳米CeO2带入热镀锌镀液中。但对于常规粉末冶金法而言，混合物的均匀性很大程度上取决于两种粉末粒度的差别，纳米CeO2粉末与纯锌粉末的粒径相差很大，这就决定了粉末混合物的均匀性较差；而且纳米CeO2颗粒又呈团聚状态，所以很难实现纳米CeO2颗粒在锌基体中的弥散均匀分布。为解决这个问题，关键是先制备出均匀的纳米CeO2/Zn复合粉末。高能球磨作为一种材料制备的重要工艺方法，日益受到国内外材料科学界的重视。特别是在纳米材料科学与技术领域，有关高能球磨法制备纳米金属、纳米金属间化合物材料、纳米复合材料、非晶材料、纳米陶瓷等的研究很多，并取得了很大的进展。作者采用高能球磨法