电泳沉积氧化铝陶瓷涂层的制备及耐腐蚀性能

【电沉积技术】

电泳沉积氧化铝陶瓷涂层的制备及耐腐蚀性能

王志义，管相杰

（青岛科技大学材料科学与工程学院，山东青岛

266042）

摘

要：以氧化铝溶胶为前驱体，采用电泳沉积和低温煅烧法

在低碳钢基体上制备了氧化铝陶瓷涂层，并对其成分、表面形貌及耐蚀性进行了研究。结果表明，将低碳钢片置于以乙醇作为分散介质的0.45mol/L 氧化铝溶胶中，在60V 恒电位下沉积180s 后，再于马弗炉中700°C 下煅烧5min ，所制得的氧化铝陶瓷涂层在2mol/L 盐酸溶液中具有良好的耐蚀性。

关键词：氧化铝溶胶；电泳沉积；陶瓷涂层；制备；表面形貌；耐蚀性

中图分类号：TQ174.7

文献标识码：A

文章编号：1004–227X (2007)09–0001–04

Preparatio n and corrosio n r esistance of electrophoretically-deposited Al 2O 3cer amic coa ting ∥WANG Zhi-yi,

GUAN Xiang-jie

Abstr act:Al 2O 3ceramic coatings were prepared on mild steel substrates with alumina sol as precursor by electro-phoretic deposition and low-temperature sintering.The composition,surface morphology and corrosion resistance of the prepared coatings were studied.The results showed that the Al 2O 3ceramic coating prepared by electrophoresis in a 0.45mol/L AlOOH/ethanol sol at 60V for 180s followed by sintering in muffle furnace at 700°C for 5min has good corrosion resistance in 2mol/L HCl solution.

Keywor ds:alumina sol;electrophoretic deposition;ceramic coating;preparation;surface morphology;corrosion resistance Fir st-author ’s addr ess:College of Materials Science and Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266042,China

1前言

随着现代科学技术的发展，陶瓷/金属复合材料受到了世界各国研究人员的高度重视。与单一的金属或陶瓷材料相比，陶瓷/金属复合材料能将金属材料的强韧性、易加工性和陶瓷材料的高耐蚀、高耐磨等特点

有机地结合起来，发挥两类材料的综合优势，从而满足产品对结构性能和环境性能的需要[1]。

陶瓷/金属复合材料的制备方法较多，如热喷涂法、高温自蔓延法、气相沉积法、电泳沉积法等。与其它技术相比，电泳沉积技术有许多优点：（1）有利于增强金属基体与陶瓷涂层之间的结合力，避免高温过程引起的脆裂；（2）可在各种形状的基体表面制备均匀的陶瓷沉积层；（3）设备简单，操作方便，工艺参数易于控制。基于以上优点，电泳沉积技术具有广阔的应用前景[2-5]。

本文通过电泳沉积技术制备氧化铝陶瓷涂层。首先采用无机盐做前驱体制备氧化铝溶胶，然后利用溶胶的电泳特性，在金属基体上沉积氧化铝溶胶颗粒，沉积所得的样品经低温煅烧后得到氧化铝涂层。初步探讨了电泳沉积过程，对涂层的表面形貌及成分进行了表征，考察了不同制备条件对氧化铝涂层耐蚀性的影响。

2实验部分

2.1实验材料及试剂

阳极为分析纯铝片，阴极为低碳钢片，尺寸均为60mm ×20mm ×1mm 。

实验所用试剂有盐酸、乙醇、氨水、硝酸、硝酸铝、碳酸钠、磷酸钠、氢氧化钠、亚硫酸钠、碳酸氢钠和六次甲基四胺（均为分析纯）。

实验仪器包括QJ3005X II 型直流稳压电源（宁波求精电子电气厂）、KSX 型快速升温电炉（湘潭仪器仪表厂）、D/max-II X 射线衍射仪（日本理学株式会社）、JSM-6700F 场发射扫描电子显微镜（日本电子公司）、JS94H 型微电泳仪（上海中晨科技公司）。2.2极板材料的预处理

在进行电泳沉积之前，极板材料需先用酸/碱洗溶液进行预处理，以除去其表面的氧化物及油污。2.2.1溶液配制

酸洗溶液：%（质量分数）盐酸+5L 六次甲

基四胺。

收稿日期：2007–06–22

修回日期：2007–07–03

作者简介：王志义（1969–），男，山东淄博人，博士，教授，主要从事纳米陶瓷及复合材料的研究。

作者联系方式：()@63。

1

20g/Email shuimu

碱洗溶液：50g/L 氢氧化钠+30g/L 磷酸钠+20g/L 碳酸钠+7g/L 亚硫酸钠。2.2.2

极板预处理过程

利用酸洗溶液清除极板表面的氧化物。室温下，将极板分别浸入酸洗溶液中，阳极的处理时间为3~5min ，阴极的处理时间为25~30min 。酸洗后，置于丙酮中超声清洗10min 后进行碱洗处理，以清除表面的油污。将极板分别浸入碱洗溶液中，在85°C 的水浴中浸泡3~5min 。碱洗后，置于丙酮中超声处理10min 后待用。

2.3氧化铝溶胶的制备

在室温及强力搅拌的条件下，将质量分数为2.5%的氨水溶液缓慢滴加到质量分数为25%的硝酸铝溶液中，控制反应结束时的溶液pH 为9~10，得到AlOOH 悬浊液。对此悬浊液进行抽滤后，将所得的沉淀物加入乙醇中搅拌分散，再缓慢滴加2mol/L 的硝酸溶液至溶胶能稳定分散。滴加结束后，继续搅拌15min 。在85°C 下，将上述混合溶液恒温回流30min ，即得到以乙醇为分散介质的AlOOH 溶胶。

用同样的方法制备以水为分散介质的氧化铝溶胶。制备的溶胶在紫外线照射下能够观察到丁达尔现象。将溶胶调整到稳定分散的pH 后，可置放3个月而无沉淀产生。

2.4氧化铝陶瓷涂层的制备

采用双阳极夹单阴极的夹层结构（极板间距为2cm ），将极板置于自制的电泳槽中以60V 进行恒电位电泳沉积。沉积后的钢片置于硅胶干燥器中室温干燥1h ，然后在马弗炉中按设定的烧成制度进行煅烧，即得到氧化铝陶瓷涂层。2.5氧化铝陶瓷涂层的性能测试

采用D/max-II X 射线衍射仪对涂层的成分进行分析，采用JSM-6700F 场发射扫描电子显微镜对涂层的表面形貌及元素分布进行分析，采用JS94H 型微电泳仪测定溶胶的Zeta 电位。

煅烧后的样品置于2mol/L 盐酸中浸泡后，采用失重法来分析涂层的耐蚀性，根据0

1()/()v m m S t =计

算腐蚀速率。其中，v 为腐蚀速率（g/(m 2h)），0m 为试样腐蚀前的质量（g ），1m 为试样腐蚀后的质量（g ），S 为试样面积（m 2），t 为腐蚀时间（h ）。

3结果与讨论

3OO 溶胶的电泳沉积

在电场作用下，溶胶的胶粒在溶液中作定向运动，

称为电泳。胶粒在电场中的运动方向与胶粒本身所带电荷有密切关系，而胶体颗粒所带电荷往往与溶胶的pH 有关。Zeta 电位值在一定程度上可以反映分散体系的稳定性。根据胶体化学理论，只有当Zeta 电位绝对值大于30mV 的分散体系才可能成为较稳定的体系，而不产生明显的团聚和沉降[6]。所制备溶胶的Zeta 电位与pH 的关系如图1所示。

图1不同溶胶的Zeta 电位–pH 图

Figure 1Zeta potential vs.pH curves of different sols

从图1可以看出，对于以水为分散介质的溶胶，当pH 小于2时，Zeta 电位大于30mV ，此时体系中粒子带正电并相互排斥，可稳定分散；对于以乙醇为分散介质的溶胶，只有将pH 调整为1时，Zeta 电位值才能大于30mV ，得到稳定分散的溶胶。在相同的分散介质中，不同浓度的溶胶在达到相同的Zeta 电位时的pH 各不相同，这是因为与高浓度的溶胶相比，低浓度的溶胶体系中所形成的胶核结构较少，在达到同一Zeta 电位时所需要吸附的H +也较少，因此不同浓度溶胶的Zeta 电位–pH 曲线也存在一定的差异。

在胶体溶液中，溶胶粒子的比表面大，表面能高，很容易吸附杂质。不同条件下，溶胶粒子吸附何种粒子与被吸附粒子的本性及溶胶粒子表面结构有关。法扬斯规则指出：与溶胶粒子有相同化学元素的粒子能优先被吸附[6]。

在所制备的AlOOH 溶胶中，2个O 2–围绕在1个Al 3+周围，并吸附1个H +，形成一种[O ═Al ─O]–H +的胶核结构，这成为胶体颗粒的核心。根据法扬斯规则，当将其分散到乙醇或水溶液中，并调整溶胶pH 至最佳值时，胶核容易从溶液中选择性吸附H +，被吸附的H +形成吸附层，从而使AlOOH 溶胶颗粒带正电荷。

将分散好的溶胶作为电泳液置于电泳池中并通电后，溶胶中带正电的AlOOH 粒子在电场力的作用下不断地向阴极迁移。当其靠近阴极极板时，吸附层中的H +接触到阴极并从阴极上得到电子产生H 2，继而从溶液中析出；而失去了外层正电荷的胶核粒子则相互结合，在阴极极板表面发生脱水聚合反应，生成

2

.1Al H