熔盐中不锈钢表面含碳耐腐蚀镀层的制备及其成膜机理
文献类型：学位论文
| 作者 | 柳靖淳 |
| 答辩日期 | 2021 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 王建强 |
| 关键词 | 不锈钢表面改性 碳材料镀层 熔盐电化学沉积 第一性原理计算 |
| 英文摘要 | 不锈钢是应用极为广泛的基础结构材料,但在高温潮湿环境下,腐蚀所导致的力学性能降低和使用寿命缩短严重限制了其应用。因此,在特定环境下必须对不锈钢采取有效策略以控制腐蚀方可应用。在不锈钢表面镀以耐蚀性的镀层是一种行之有效的腐蚀控制策略。常用的耐腐蚀镀膜材料有高分子材料、惰性金属、无机材料或陶瓷等。鉴于优良的耐高温、耐腐蚀性及卓越的综合性能,如耐磨、导电、催化活性等,无机材料和陶瓷材料,其中尤以碳和碳化物,获得持续关注与广泛研究。由于碳和碳化物材料的化学惰性,其镀膜难以在水溶液中实现,而常采用物理或化学气相沉积的方法获得。但气相沉积镀膜设备成本高、工艺条件苛刻、难以实现对复杂构件的镀膜,且常存在镀层与不锈钢基体结合不牢的问题。因此,迫切需要开发适用于对不锈钢镀碳和碳化物无机材料膜的新方法。本论文充分利用高温熔盐对无机物和金属的良好溶解性,以熔盐为电解质,采用电化学方法在316L不锈钢表面制备碳镀层和碳化钛镀层。利用熔盐中碳与金属钙以及钛金属与高价钛的原位反应,制备了物理化学性能稳定,适用于电镀的熔盐电解质。通过优化镀膜参数,在不锈钢表面制备了致密耐腐蚀的碳镀层。随后,在含钛电解质中电沉积钛,将碳膜转换为碳化钛膜。通过理论计算,探索了这一转换过程的机理。腐蚀测试表明,经镀碳膜或碳化钛膜的不锈钢材料耐腐蚀性能得到显著提升。具体来说,本论文的主要研究内容如下:(1)在FLiNaK(LiF-Na F-KF,46.5-11.5-42mol%)熔盐中,实现在不锈钢上以碳粉为原料镀碳膜。研究发现,在FLiNaK熔盐中溶解于熔盐的金属钙(Ca)与碳粉反应可生成碳化钙(Ca C2)。以此反应所生成的C22-来补充电沉积镀膜消耗的熔盐中所加入的碳化钙,维持电镀过程中C22-反应离子浓度的稳定,减少电解液物理化学性质波动对镀膜的影响,从而得到致密的碳膜。考察了沉积电位、反应温度、沉积时间、熔盐组分对成膜的影响。通过优化条件,可获得形貌致密、厚度可控、与基底不锈钢材料结合良好的碳膜。极化曲线测试表明,碳膜的存在显著提升了不锈钢基体的耐蚀性。在模拟腐蚀性水溶液中,相较于不锈钢,镀碳膜后的材料腐蚀电流降低7.9倍,腐蚀速率降低16.8倍。(2)“二步法”制备碳化钛膜。在FLiNaK熔盐中,于上述制备好碳膜的不锈钢材料上沉积钛,将碳膜转化为碳化钛膜。利用FLiNaK熔盐中Ti4+与Ti的反应,首先制备了含低价态Ti2+离子的稳定熔盐电解液。研究了氟盐中Ti2+的反应,及电位电流、温度、时间等沉积条件与成膜质量的关系。结果表明,电极上Ti2+至Ti的沉积为一步还原反应。碳膜表面的钛沉积与Ti-C扩散共同构成了碳化钛的转化过程,其中扩散过程为控制步骤。电位与电流决定了沉积速率,温度变化影响着相间扩散速率。调节沉积速率与反应时间的平衡将有利于碳化钛的转化。经条件优化,可获得质量优良的碳化钛膜。极化曲线结果显示,碳化钛膜的存在使不锈钢基体的耐蚀性得到改善。(3)采用第一性原理计算了Ti、C原子的吸附与相间扩散行为,模拟TiC成膜过程。结合能与电子特性结果表明,基于碳层表面结构特点,Ti原子通过形成Ti-C键于H位点实现稳定结合,并以此生长形成Ti层。随后受原子间斥力、浓度梯度、Gibbs自由能等因素影响,发生相间扩散。扩散初期,以半径更小、势垒更低的C原子反应为主。原子扩散造成的晶格形变与缺陷将驱动C、Ti晶格向TiC晶格转化,直至完全形成TiC相。由计算结果推测,电沉积过程中TiC的形成为沉积后原子扩散导致的晶格重构反应所致。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33863]  |
| 专题 | 中科院上海应用物理研究所2021-2022年 |
| 作者单位 | 1.中国科学院上海应用物理研究所 2.中国科学院大学; |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 柳靖淳. 熔盐中不锈钢表面含碳耐腐蚀镀层的制备及其成膜机理[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。