納米CeO2/Zn金屬基復(fù)合材料在鋅鍍層中的應(yīng)用

【摘 要】鋅鍍層的使用壽命取決于鍍層的耐蝕能力，為達到提高其耐蝕能力目的，文章探討了納米CeO2/Zn金屬基復(fù)合材料在鋅鍍層中的應(yīng)用，并從其應(yīng)用的優(yōu)越性和可行性方面作了分析。
　　【關(guān)鍵詞】鋅鍍層；耐蝕；納米氧化鈰；金屬基復(fù)合材料

鋅鍍層用于防止鋼鐵制品的銹蝕，已有200多年的歷史，至今，它在鋼鐵材料防蝕涂層中仍占有重要的地位。鋅鍍層的使用壽命取決于鍍層的耐蝕能力，鍍層的耐蝕能力越強，則鍍層的使用壽命就越長。隨著日益發(fā)展的科技與經(jīng)濟的需要，如何更好的改善鍍層的耐蝕能力對鍍層材料提出了更高的要求。
一、土元素在鍍鋅防腐蝕應(yīng)用研究中的進展
　　隨著對稀土材料的開發(fā)研究，人們逐漸認識到其優(yōu)越性，并將其應(yīng)用在不同領(lǐng)域。20世紀80年代，Hinton和Wilson首次研究了稀土對純鋅的緩蝕作用，發(fā)現(xiàn)1.0g/L的CeCL3可使純鋅的腐蝕速率降低到原來的1/10，使電鍍鋅的腐蝕速率降低到原來的1/2，腐蝕試驗完畢后純鋅和電鍍鋅表面形成了一層黃色的膜。之后，Hinton進一步研究了純鋅和電鍍鋅表面的稀土轉(zhuǎn)化膜的成分和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)膜中主要組成物質(zhì)是CeO2和Zn，并且Ce是以四價形式存在于膜中的。昆明理工大學(xué)的郭忠誠副教授在1996年第5期的《金屬學(xué)報》中發(fā)表過一篇《稀土對復(fù)合鍍工藝及鍍層性能的影響》，研究了稀土對Ni-SiC復(fù)合鍍工藝及鍍層性能的影響。結(jié)果表明，添加適量的稀土能顯著地提高復(fù)合鍍層中微粒的含量、硬度和耐磨性。
　　已有研究表明，加入稀土氧化物CeO2所產(chǎn)生作用如下：
　　1．稀土元素細化微觀組織結(jié)構(gòu)，減小第二相樹狀晶體間距和涂層夾雜物含量；
　　2．稀土元素的加入對減少涂層金屬材料在基體上的擴散是很有效的；
　　3．稀土元素可以增大衍射角，降低晶體面間距和點陣常數(shù)；
　　4．稀土元素的加入提高抗腐蝕性能，鈍化顯著提高，腐蝕速率明顯降低。
　　但是，稀土元素對于降低鍍層腐蝕速率幅度與人們的期望值相比還略顯不足，故此工藝也未能在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。
二、納米金屬基復(fù)合材料的優(yōu)越性分析
　　在鍍層中添加納米微粒改善鋅鍍層的耐蝕性，是在納米技術(shù)之上建立起來的新方法。納米微粒具有很多獨特的物理及化學(xué)性能包括表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)和一些奇異的光、電、磁等性質(zhì)。納米材料這種非凡的特性賦予了這種方法廣泛的發(fā)展前景，值得進一步深入研究。材料的分子尺度或納米尺度設(shè)計是目前高性能復(fù)合材料研究的前沿科學(xué)。 Roy和Kormameni等于1984年首次提出了納米復(fù)合材料（nanocomposite）的概念，即復(fù)合物的分散相至少有一相的一維尺度在100 納米以下。由于納米復(fù)合材料的基體相和分散相的界面面積特別大，如果能把分散相和基體相性質(zhì)充分的結(jié)合起來，將大大改進和提高材料的性能。納米顆粒在基體相中的作用不僅僅是補強，還能賦予基體很多別的性能。如由于其粒子尺寸小，透光性好，將其加入塑料中可以使塑料變得很致密。在半透膜中添加納米材料后，不但透明的程度增加，韌性、強度也有所改善，且防水性大大增強。經(jīng)過測試，納米復(fù)合材料的性能優(yōu)于同組分的常規(guī)復(fù)合材料。因此，制備納米復(fù)合材料是獲取高性能材料的有效方法之一。納米復(fù)合材料按基體材料類型可以分為3種：金屬基納米復(fù)合材料、陶瓷基納米復(fù)合材料、聚合物基納米復(fù)合材料。金屬基納米復(fù)合材料是由納米級的金屬或非金屬粒子均勻地彌散在金屬及合金基體中而成，較之傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料，其比強度、比模量、耐磨性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等均有大幅度的提高。從國內(nèi)外文獻報道情況來看，目前，世界各國所發(fā)展的納米復(fù)合材料多局限于聚合物材料中，而采用納米粉體改性整體金屬材料方面所做的工作卻比較少。這是因為對于金屬材料基體而言，尚無特別好的分散方法對團聚狀態(tài)的納米粉體進行分散。納米金屬基復(fù)合材料是一個尚未開發(fā)的處女地，是很有前景的一種新材料，這也是本課題需要解決的難點。
三、納米氧化鈰/鋅金屬基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用
　　金屬基納米復(fù)合材料的制備比聚合物基納米復(fù)合材料要復(fù)雜和困難得多，這與金屬的固有物理、化學(xué)特性有關(guān)。目前，制備金屬基納米復(fù)合材料的主要難點在于：
　　1．巨大的表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強的團聚作用而使顆粒尺寸變大。如何能將這些納米單元體分散在金屬基體中構(gòu)成復(fù)合材料，使之不團聚而保持納米尺寸的單個體以充分發(fā)揮其納米效應(yīng)是合成金屬基納米復(fù)合材料必須解決的首要問題。然而迄今為止尚無十分有效的分散方法對團聚狀態(tài)的納米粉體在金屬基體中進行分散。

2．為保證與納米增強相能進行良好的復(fù)合，基體金屬必須具有足夠的流動性、成型性。但基體金屬一般均具有較高的熔點，因此，金屬基納米復(fù)合材料在高溫制備時勢必會發(fā)生嚴重的界面反應(yīng)、氧化等有害的化學(xué)反應(yīng)如何嚴格控制界面反應(yīng)是制備高性能金屬基納米復(fù)合材料的又一關(guān)鍵所在。
　　3．金屬基體與納米第二相之間浸潤性差，甚至不浸潤，必須設(shè)法對納米微粒進行適當?shù)谋砻嫣幚硪愿纳婆c（下轉(zhuǎn)第61頁）(上接第62頁）基體的浸潤性。
本課題擬制備納米氧化鈰/鋅金屬基復(fù)合材料，納米稀土粉末由于其粒度非常細小、比表面能特別大，通常處于團聚狀態(tài)，如果將其直接加入到熱鍍鋅鍍液中，其團聚現(xiàn)象將更為嚴重，而且還會產(chǎn)生偏聚。為此，擬采用粉末冶金方法先制備出納米CeO2/Zn復(fù)合材料，作為中間體將納米CeO2帶入熱鍍鋅鍍液中。但對于常規(guī)粉末冶金法而言，混合物的均勻性很大程度上取決于兩種粉末粒度的差別，納米CeO2粉末與純鋅粉末的粒徑相差很大，這就決定了粉末混合物的均勻性較差；而且納米CeO2顆粒又呈團聚狀態(tài)，所以很難實現(xiàn)納米CeO2顆粒在鋅基體中的彌散均勻分布。為解決這個問題，關(guān)鍵是先制備出均勻的納米CeO2/Zn復(fù)合粉末。高能球磨作為一種材料制備的重要工藝方法，日益受到國內(nèi)外材料科學(xué)界的重視。特別是在納米材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，有關(guān)高能球磨法制備納米金屬、納米金屬間化合物材料、納米復(fù)合材料、非晶材料、納米陶瓷等的研究很多，并取得了很大的進展。作者采用高能球磨法成功制備出納米CeO2顆粒彌散均勻包覆、鑲嵌在鋅顆粒之上的納米CeO2/Zn復(fù)合粉末，并通過XRD、 SEM詳細研究了粉體的組成、微觀形貌（具體制備方法和結(jié)論將在另一篇文章中介紹），這意味著如以這種稀土金屬基納米復(fù)合材料作為中間合金代替單純的鋅合金，用在鋼鐵件表面實施熱浸鍍，可顯著提高鋅鍍層的耐腐蝕性能，另外，高能球磨法制備工藝簡單，成本低廉，容易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
四、結(jié)論
納米CeO2/Zn金屬基復(fù)合材料在鋅鍍層中的應(yīng)用可以使鋅鍍層的防腐能力得到質(zhì)的飛躍，這在納米涂層材料的開發(fā)應(yīng)用方面提出了一種新思路，具體的實施還有待于進一步研究，但在鋅鍍層方面的應(yīng)用毫無疑問有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

【參考文獻】
[1]駱心怡，何建平，朱正吼．納米氧化鈰顆粒對電沉積鋅層耐蝕性的影響[J]．材料保護，2003，36(1).
[2]黃新民，吳玉程，鄭玉春．納米顆粒對復(fù)合鍍層性能的影響[J]．兵器材料科學(xué)與工程，1999，22(6).
[3]鄧姝皓，龔竹青，陳文汩．電陳積納米晶體材料的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．電鍍與涂飾，2001，20(4).
[4]郭忠誠，王敏，劉洪康，王志英．電鍍法制取耐磨耐蝕復(fù)合鍍層的性能研究[J]．機械工程材料，1998，22(1).
[5]郭忠誠．稀土對復(fù)合鍍工藝及鍍層性能的影響[J]．金屬學(xué)報，1996，32(5).