关键词：
仿生多层有机涂层
表面织构
软硬交替
BTA@SiO2
石墨烯
耐磨防腐
摘要：
腐蚀与磨损密不可分,表面涂层技术作为金属防护的重要手段,具有广阔的应用前景。但以陶瓷金属为主的硬质单层涂层,韧性差、易发生脆性断裂;以聚合物为主的弹性单层涂层硬度较低、功能单一,无法抵抗切削磨损和满足复杂多元的使用需求。硬质单层与弹性单层在恶劣环境和长效防护中的应用受限。贝壳具有的多层结构和硬韧兼具的珍珠母层,以及表面凹凸的织构形貌,使其在受到砂粒流体冲蚀磨损时表现出良好的抵抗、缓冲能力。将硬度与韧性相结合成为提高涂层抗冲蚀磨损性能的有效途径,且多层结构能为功能纳米粒子提供良好的负载平台,实现涂层的多功能化。环氧树脂（EP）硬度高、耐磨、与金属粘结性强,但固化后脆性大易断裂,且溶剂挥发后产生较多孔隙不利于耐离子腐蚀。氟碳树脂（FEVE）柔性高、摩擦系数低、表面大量C-F键提供耐候和耐腐蚀性,但由于表面能较低,氟碳树脂与金属基底的附着力较差,易发生剥落分离。本文受到贝壳多层结构抗冲蚀以及甲壳外表非光滑结构耐磨损、非浸润的启示,从涂层基材结构、表面形貌出发,选择硬质的环氧树脂与软质的氟碳树脂多循环交替叠层,提升基材的机械性能。并以含有缓蚀剂BTA的介孔Si O2和GO分别改性EP与FEVE,再于表层构筑仿生织构形貌,探究层间结构、粒子改性和表面织构化对涂层耐磨防腐性能的影响,并分析其可能的机理。本文的主要研究内容及结论如下:利用有机铋作为催干剂优化氟碳树脂固化工艺,通过DSC与流变测试得到优化的添加比例和常温、中高温交联反应时间,缩短FEVE的固化时长。以环氧树脂为底,氟碳树脂为面构成一个循环,制备相同总厚度的多循环EP/FEVE软硬叠层体系涂层。当交替结构为双循环时,涂层在干摩擦和湿摩擦下的平均摩擦系数和磨损率比纯EP硬质层降低了12.9%和72.8%;比纯FEVE软质层降低3.2%和56.6%。在湿摩擦下的摩擦系数和磨损率比纯EP硬质层降低了42.3%和93.7%,比纯FEVE软质层降低33.0%和64.2%。通过对涂层进行EIS测试,浸泡2d后单循环与双循环涂层仍保持在10～7Ω·cm2以上,且双循环结构比单循环高63.6%,体现出更好的耐腐蚀性能。机理研究表明,软硬多层结构中应力从表层分摊到下层,软层形变吸收缓冲应力、硬层支撑减少摩擦;多层叠加的树脂遮盖了溶剂散逸后产生的腐蚀通道,提升了耐蚀性。以软硬多层结构为基础,使用硅烷化负载有缓蚀剂BTA的Si O2改性环氧树脂,用GO改性氟碳树脂。由于表层GO形成的润滑转移膜与Si O2轴承效应协同润滑,与纯树脂的双循环涂层相比,粒子改性后的双循环涂层干湿摩擦的平均摩擦系数与磨损率分别降低了8.9%和16.1%、16.3%和15.6%。经EIS腐蚀测试,在3.5wt%Na Cl溶液中浸泡2d后粒子改性双循环的阻抗值是纯树脂的2.5倍。经EIS和划痕SEM、元素mapping表征涂层自修复能力,损伤涂层在裂纹处具有抗腐蚀作用。当涂层表面无损伤时,纳米粒子填补了树脂基体固化产生的孔隙缺陷,片层GO和Si O2利用“迷宫效应”延长了腐蚀介质的侵入路径。当涂层基体损坏,环氧层中的BTA从介孔Si O2孔隙中释放并在水中溶解,在金属表面形成钝化膜,阻隔了外界的腐蚀物质进一步对金属产生腐蚀,从而达到提升耐腐蚀性能的作用。使用模板法在粒子改性的双循环表层氟碳涂层上构筑直线沟槽和方形凹坑。经摩擦测试,沟槽与凹坑的摩擦系数分别比光滑表面涂层下降了57.7%和34.6%。表面织构化减少了对磨面接触面积,并收集磨屑减少磨粒磨损。在酸碱盐溶液中浸泡7天后,表面织构化的涂层仍具有比光滑面更高的水接触角。织构形貌形成气体空腔,减少液体的润湿性,降低腐蚀。研究为涂层耐磨防腐性能的增强提供了新的方法,并揭示了多层结构与表面织构耦合对耐磨防腐性能的提升作用。
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