一种抗腐蚀性复合SiO的制作方法

xiaoxiao2020-6-29  9

专利名称:一种抗腐蚀性复合SiO的制作方法
技术领域
本发明属于防腐与金属表面改性技术领域,涉及金属表面耐腐蚀性薄膜的制备方法。特别涉及利用LiBr溶液同时作为基体的活化剂和难溶物的溶剂改进水热法,制备抗腐蚀性SiO2、氧化铁、氧化铬复合薄膜的方法。
背景技术
目前换热器遍及各个行业,尤其石油炼制、化工、制冷等工业换热器多采用强腐蚀性工质,腐蚀过程产生的氢气、铁锈都会影响系统的正常运转,同时降低设备材料的使用寿命,严重的还会造成较深的蚀孔。尤其一般作为核心部件的不锈钢材料的孔蚀和缝隙腐蚀问题,在高温高浓度的卤族离子作用下更为突出。为了降低材料的腐蚀速率,许多研究者在基体表面镀膜以改变其抗腐蚀性能。
薄膜材料的制备方法可以按原材料的气、液、固三相来分类。近年来许多研究者采用真空蒸发、溅射、化学气相沉积、脉冲激光沉积、分子束外延等基于气相的成膜技术,制备出致密的抗腐蚀性薄膜。但由于在操作过程中需要真空环境、设备昂贵、不易规模化生产。固相成膜技术均涉及到高温烧结,操作温度较高不易实现;而液相成膜技术则因较易实现受到人们的青睐。
电镀、阳极氧化等常规电化学镀膜技术,由于设备简单、操作易控,一直以来被广泛应用。但电化学方法一般仅限于沉积金属薄膜,多用于沉积稀有金属成本较高,且需要在导电的衬底材料上进行,因此在一定程度上限制了其应用范围。
微弧氧化是利用液相介质中电极表面产生的等离子体放电处理材料的一种方法,等离子体放电通道内温度高达2000-8000℃(但电解液、基体的温度为室温)、压力可达100MPa以上,这种极限条件可赋予基体材料优异耐磨、耐腐蚀、耐热及电绝缘性能。但微弧氧化的弧光放电不可避免地会在基体表面留下等离子火花放电没有封闭的通道,造成膜层的多孔结构,而空洞的孔径和密度直接影响着膜的抗腐蚀性能。
液相沉积成膜法不需热处理、设备简单、易于操作,是将经过活化处理的基体浸泡在沉积液中,不外加电场或其它能量,在常压、低温(30-90℃)下通过控制反应物的水解、络合或化学反应,在衬底上沉积薄膜的一种薄膜制备方法。但液相沉积(1988年Nagayama首次报道,发展了短短十几年)一般以强酸性溶液为成膜溶液,且只能在表面有-OH的基片成膜。Akihiro Hishinuma使用酸性H2SiF6的水溶液为反应液,利用液相沉积法在玻璃基片上制备SiO2膜。证明基片表面状况极大地影响着析出过程,这就限制了该方法的成膜基材必须耐酸同时具有很好的亲水性。
溶胶凝胶方法是1960年左右发展起来的制备无机材料的方法,广泛应用在无机膜的制备中。邱春阳、杜启莲、俞冰、王黔平等人用溶胶凝胶法,分别在Al2O3基体、镍铬合金、铜合金及不锈钢表面制备了微米厚度的SiO2无机膜,都很好的提高了基体材料的抗腐蚀性能,尤其是非晶态的SiO2膜可以显著提高镍铬合金点蚀电位,降低腐蚀电流。Garcia-Cerda研究溶胶—凝胶法制备的SiO2涂层对铜耐腐蚀性能的影响,得到了类似的结论。但由于溶胶凝胶法在样片制备过程中需要后续高温热处理,去除反应前驱体中的水分和有机物,就决定了制备膜层存在孔结构、裂纹和较低结合力的缺陷。虽然针对此采取了提高涂膜温度、浓溶胶和稀溶胶结合、添加添加剂,或者增大涂膜厚度能够均化膜孔径,提高膜的性能的方法,但仍有待进一步的研究。
而用水热法制备薄膜是近20年来发展起来的一种很有潜力的液相制膜技术,在制备压电、铁电和氧化物薄膜等领域内的研究很活跃。水热法是在特制的密闭反应容器(高压釜)里,采用水溶液为反应介质,通过对反应容器加热,创造一个高温、高压的反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。此方法一次成膜,避免了后期的热处理工艺;反应介质为水,降低了制备成本;设备简单,操作温度一般低于300℃。但由于成膜速率大,易导致膜结晶差、表面不均一、开裂等缺陷。各研究方法均有各自的优缺点,且某些缺点是由方法本身决定的,不可避免。

发明内容
本发明目的是提供了一种金属表面抗腐蚀性薄膜的制备方法。利用溴化锂溶液为溶剂、钠-钙玻璃为主要硅源的改进水热法,制备SiO2复合薄膜;通过该方法获得了结合力较强、致密、耐高温的无机抗腐蚀性薄膜;本发明可以对不锈钢、碳钢表面进行改性,应用于腐蚀性环境下的换热、运输及储存设备中,延长设备的使用寿命。
本发明的技术方案是采用钠-钙玻璃为主要硅源,采用LiBr溶液同时作为硅溶剂和金属基体活化剂,操作过程中根据LiBr溶液高温性质计算操作温度下饱和蒸汽压,充入N2控制釜内压力;恒温箱加热反应釜并保持恒温190h,使金属基体活化与SiO2沉积同时进行,边活化边沉积的工艺使得基体腐蚀活化产物和硅氧化物有效的穿插,得到结合力较强、致密、耐高温的无机功能性薄膜。过程中通过调节LiBr溶液的酸碱度(PH=8-10)、温度(150-200℃)及浓度(45%-60%)以控制硅源玻璃溶解速度,从而得到不同厚度(3-15μm)的薄膜。本发明的工艺步骤如下1.镀膜前对基体材料表面进行预处理基样表面用600-1200#水磨砂纸依次打磨,去除钝化膜、蒸馏水超声清洗30min、丙酮脱脂,待用。
2.将金属基体用支架固定于钠-钙玻璃容器内,同时加入质量浓度为45%-60%、PH为8-10的LiBr溶液,放置高压釜内并检漏。
3.对高压釜抽真空至绝压0.3-1.3kPa,控制溶液含氧量,避免基体被快速腐蚀活化。
4.根据150-200℃下LiBr溶液的高温物性计算相应的饱和蒸汽压,并按理想气体方程推导常温充入氮气量,充入足够的氮气保证操作温度下溶液不沸腾,以维持液相LiBr溶液浓度和酸碱度不变。
5.成膜釜密封后,恒温箱以5℃/min速度升温至操作温度(150-200℃),并维持恒温190h,浸泡制膜。
6.浸泡完毕,高压釜冷却,取出试样,去离子水清洗,得膜。
本发明的效果和益处是本发明采用离子半径小、电负性强的卤族离子溶液-LiBr溶液作为具有耦合功效的介质,使金属基体活化与硅的溶解沉积同时进行,边活化边沉积的工艺使得膜层的成分Si、O、Fe、Cr有效的穿插、均匀分布于薄膜内,得到与基体结合力较强、致密的抗腐蚀性薄膜。薄膜经过不锈钢SUS304在45-60%LiBr溶液中静态腐蚀实验(图4)和动电位阳极极化曲线(图5)测定,证明可以有效降低腐蚀速率,避免点蚀引发的灾难性后果。
本发明利用溶解速度缓慢的钠-钙玻璃作为硅源,同时控制LiBr溶液的酸碱度、浓度以及温度,制备薄膜厚度在3-15μm,且无需高温热处理,有效的避免了膜层的裂纹;同时,SiO2为主要成分提高了膜层的热稳定性。
金属氧化物的植入提高了膜的导热性能,且厚度薄,给金属基体带来的附加热阻低,该薄膜可广泛应用在腐蚀性环境下的换热、运输及储存设备中,不影响传热性能的同时,延长设备的使用寿命。本发明制备薄膜的成本低廉,操作简单。


图1为制备复合SiO2薄膜试样的放大1000倍SEM图。制备条件LiBr溶液浓度为60%,溶液温度为190℃。可看出此方法制备的氧化膜具有较致密的结构。
图2是薄膜的X射线衍射(XRD)图。黑线表示的SUS304不锈钢基体成分的衍射图谱,浅色线代表镀膜后材料的衍射图谱。两条线比较,在2θ=20°时膜层谱图出现了代表非晶形SiO2的馒头峰。证明了膜层内SiO2为非晶态,具有很强的耐腐蚀性能。图3XPS表面分析,扫描谱图与标准参考谱图吻合,再次证明了Si、O的存在状态为SiO2。
图4为静态腐蚀实验的数据结果图。通过测定试样的失重考察镀膜对基体耐腐蚀性能的提高。腐蚀温度在190℃在不同LiBr溶液浓度下,复合SiO2膜将真空条件下不锈钢基体的耐腐蚀性能提高了60-70%(2、4分别为190℃下基体镀膜前后的腐蚀速率);同样在200℃下耐腐蚀性能提高50%(1、3为200℃下镀膜前后的腐蚀速率)。
图5为基体(3)、镀有复合SiO2膜(1为200℃、55%LiBr溶液中成膜)以及同条件下自然生成铁铬腐蚀产物膜层金属(2)的动态阳极极化曲线图。通过极化曲线的比较,镀膜金属的阳极极化率明显增大,明显降低了金属活化区的腐蚀电流密度;提高了金属材料的抗腐蚀性能。而两种镀膜材料比较,镀有复合SiO2膜金属的极化率更大,且此时的SUS304钝化后不在发生再活化,即有效的抑制了点蚀的发生。
具体实施例方式
以下结合具体实施例和附图详细叙述本发明的具体实施方式

实施例1基体采用φ40mm×1mm的SUS304不锈钢样片。首先试样用600-1200#金刚砂水磨砂纸依次打磨到1200#,去离子水超声清洗30min,丙酮脱脂。每组实验平行使用3个试样,用支架分开,放置在普通的Na-Ca玻璃容器中,加入浓度为60%、PH=9.5的LiBr溶液(每次约100ml),放入高温高压反应釜内。通过高温LiBr溶液物性计算LiBr溶液浓度为60%、温度为190℃时的饱和蒸汽压为0.17MPa,按理想气体状态方程推导常温下压力0.23MPa。先用真空泵对系统抽真空控制釜内含氧量,使釜内绝压为1.30kPa,避免SUS304很快点蚀;然后按计算压力充入氮气,通过阀门控制压力,以保证溶液不沸腾。将反应釜放入恒温箱,以5℃/min速度升温至190℃并维持恒温。试样浸泡腐蚀190h后取出,去离子水冲洗,得到镀有复合SiO2膜的SUS304材料。
实施例2~4控制成膜温度为200℃,分别调节LiBr溶液浓度为45%、55%、60%,常温冲入N2压力为0.47、0.29、0.21MPa。其余操作方法和工艺条件与实施例1相同。制得薄膜成分含量以及厚度如表1。并测定了200℃、55%LiBr溶液中成膜的动态阳极极化曲线,可知在考察范围内有效抑制了点蚀,提高了金属材料的抗腐蚀性能。
表1 200℃不同浓度下薄膜成分及厚度列表
权利要求
1.一种抗腐蚀性复合SiO2膜的制备方法及应用,其特征是改进高温水热法,采用钠-钙玻璃为主要硅源,LiBr溶液同时作为硅溶剂和金属基体活化剂,使金属基体活化与SiO2沉积同时进行,边活化边沉积的工艺制备复合SiO2膜。
2.根据权利要求1所述的一种抗腐蚀性复合SiO2膜的制备方法及应用,其特征在于制备薄膜厚度在3-15μm,成分为SiO2、氧化铁、氧化铬。
3.根据权利要求1所述的一种抗腐蚀性复合SiO2膜的制备方法及应用,其特征在于制膜工艺为(1)试样经打磨、清洗、除油处理后待用;(2)钠-钙玻璃容器内加入浓度为45~60%、PH=8~10的LiBr溶液和试样,置于反应釜;(3)抽真空、充入N2控制釜内压力;(4)制膜温度控制在150-200℃下,190h成膜。
4.根据权利要求1所述的一种抗腐蚀性复合SiO2膜的制备方法及应用,其特征在于此法适用于不锈钢、碳钢基体表面的改性,可应用在腐蚀性环境下的换热、运输及储存设备中。
全文摘要
本发明属于金属表面改性与防腐技术领域,涉及金属表面耐腐蚀性薄膜的制备方法。其特征在于改进高温水热法,采用钠-钙玻璃为主要硅源,LiBr溶液同时作为硅溶剂和金属基体活化剂,使金属基体活化与SiO
文档编号C23C18/04GK101033542SQ200610155919
公开日2007年9月12日 申请日期2006年12月31日 优先权日2006年12月31日
发明者马学虎, 陈宏霞, 陈嘉宾, 白涛 申请人:大连理工大学

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