钛纳米聚合物对涂层耐蚀性能的影响

利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能研究进展纳米颗粒材料具有独特的物理和化学特性，可以被广泛应用于各个领域。

在金属涂层的研究中，纳米颗粒材料被广泛应用于改善金属涂层的耐蚀性能。

本文将综述利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能的研究进展。

一、纳米颗粒对金属涂层耐蚀性能的影响1.1 纳米颗粒增强金属涂层的抗腐蚀能力纳米颗粒能够与金属基体形成均匀的分散体系，并在涂层表面形成更致密的保护膜。

这种保护膜可以阻止外界腐蚀介质的侵入，提高金属涂层的抗腐蚀性能。

研究表明，添加纳米颗粒可以显著提高金属涂层的耐腐蚀性能，延长金属涂层的使用寿命。

1.2 纳米颗粒提高金属涂层的耐磨性能纳米颗粒可以有效地填充金属涂层中的缺陷和孔隙，提高涂层的致密性和硬度。

同时，纳米颗粒的形成还可以提高金属涂层的耐磨性能，减少摩擦损失。

因此，添加纳米颗粒可以有效地改善金属涂层的耐磨性能，延长涂层的使用寿命。

1.3 纳米颗粒改善金属涂层的耐氧化性能纳米颗粒可以形成致密的氧化层，并提供额外的保护作用，减少氧化介质对金属涂层的侵蚀。

研究发现，添加纳米颗粒可以显著提高金属涂层的耐氧化性能，防止金属涂层因氧化而失效。

这对于金属涂层在高温、高氧化介质下的应用具有重要意义。

二、利用纳米颗粒改善金属涂层耐蚀性能的方法2.1 纳米颗粒的表面修饰为了提高纳米颗粒与金属基体之间的相容性，常常需要对纳米颗粒进行表面修饰。

表面修饰可以使纳米颗粒与金属基体形成更牢固的结合，提高涂层的耐蚀性能。

常用的表面修饰方法包括硅化、钝化、改性等。

2.2 纳米颗粒的复合应用为了进一步提高金属涂层的耐蚀性能，可以将不同类型的纳米颗粒进行复合应用。

例如，可以将具有不同功能的纳米颗粒相互结合，形成复合纳米颗粒，同时改善金属涂层的抗腐蚀性能、耐磨性能和耐氧化性能。

2.3 纳米颗粒的结构调控通过调控纳米颗粒的形状、尺寸和组分，可以进一步改善纳米颗粒对金属涂层耐蚀性能的影响。

研究表明，纳米颗粒的形态特征对金属涂层的性能有着重要影响。

纳米涂层使用过程中的常见问题及解决方法纳米涂层是一种采用纳米材料制成的高级功能涂层，具有优越的性能和广泛的应用领域。

然而，在纳米涂层的使用过程中，难免会出现一些常见问题，例如涂层开裂、附着力不强、涂装不均匀等。

本文将详细介绍这些常见问题，并提供相应的解决方法。

1. 涂层开裂问题描述：在纳米涂层涂装后，出现涂层开裂的现象。

开裂会降低涂层的密封性能，对涂层的功能产生负面影响。

解决方法：- 选择合适的底材：确保底材的表面平整度和物理性能符合涂层要求，减少因底材引起的开裂问题。

- 控制涂层厚度：过厚或过薄的涂层都容易引起开裂。

根据涂层厚度要求，合理调整涂装工艺，保证涂层均匀、充实。

- 调整涂装环境：控制涂装的相对湿度和温度，避免极端的温度变化，减少开裂的风险。

2. 附着力不强问题描述：纳米涂层在使用过程中，附着力不强，易起皮、龟裂或脱落。

造成涂层寿命缩短，降低防护效果。

解决方法：- 表面处理：在涂装前，需要对底材进行表面处理，如去除油污、氧化物等，提高涂层与底材之间的粘附力。

- 优化配方：调整涂层的成分比例和粒径分布，提高涂层的均匀性和粘附力。

- 涂装工艺：采用合适的涂装工艺，如根据涂层的性质选择合适的涂装方法（喷涂、膜压等），确保涂层与底材之间的接触良好。

- 涂层厚度：严格控制涂层的厚度，过厚或过薄都可能导致附着力不强。

3. 涂装不均匀问题描述：纳米涂层在涂装过程中出现不均匀现象，表现为涂层厚度不一致或涂装出现斑驳。

解决方法：- 调整涂装工艺参数：根据涂层的要求，优化涂装工艺参数，例如喷涂距离、压力、速度等，确保涂装均匀。

- 涂装环境控制：控制涂装环境的温度和湿度，避免极端的条件对涂装造成影响。

- 使用专用设备：采用专用的涂装设备，例如刮涂机、喷涂机等，提高涂装均匀性。

- 涂层配方优化：优化涂层材料的配方，改善涂层的流变性质，提高涂装的均匀性。

4. 涂层光泽度不佳问题描述：纳米涂层涂装后，出现光泽度不佳或表面粗糙的情况，降低了涂层的美观性。

钛材耐腐蚀数据钛材是一种具有优异耐腐蚀性能的金属材料，广泛应用于航空航天、化工、医疗等领域。

本文将详细介绍钛材的耐腐蚀性能及相关数据，以便更好地了解和应用该材料。

1. 钛材的耐腐蚀性能钛材具有出色的耐腐蚀性能，主要表现在以下几个方面：1.1 耐酸性钛材对多种酸性介质具有良好的耐腐蚀性能。

例如，钛材在浓硫酸、盐酸、硝酸等常见酸性介质中均表现出较高的耐蚀性。

在硫酸浓度小于80%、盐酸浓度小于10%、硝酸浓度小于30%的条件下，钛材的腐蚀速率非常低，甚至可以忽略不计。

1.2 耐碱性钛材对一般碱性介质也具有较好的耐蚀性。

例如，在氢氧化钠、氢氧化钾等碱性溶液中，钛材的腐蚀速率较低。

然而，在高浓度的氢氧化钠或氢氧化钾溶液中，钛材的耐蚀性会降低，因此在实际应用中需注意浓度的控制。

1.3 耐氧化性钛材具有良好的耐氧化性能，能够在大气中形成致密的氧化膜，起到一定程度的自我保护作用。

这种氧化膜可以有效阻止进一步的氧化反应，从而保护钛材的基体不受腐蚀。

1.4 耐盐水腐蚀性钛材对盐水腐蚀性能优异，可以在海洋环境中长期使用而不受腐蚀。

这使得钛材成为船舶、海洋平台等海洋工程领域的理想材料。

2. 钛材的耐腐蚀数据以下是一些常见钛材的耐腐蚀数据，供参考：2.1 钛合金- TC4钛合金（Ti-6Al-4V）：在20℃下，硫酸浓度为10%时，腐蚀速率为0.008mm/a；盐酸浓度为10%时，腐蚀速率为0.02mm/a。

- TA2钛合金（Gr2）：在20℃下，硫酸浓度为10%时，腐蚀速率为0.005mm/a；盐酸浓度为10%时，腐蚀速率为0.015mm/a。

2.2 纯钛- 高纯度钛（99.9%以上）：在20℃下，硫酸浓度为10%时，腐蚀速率小于0.001mm/a；盐酸浓度为10%时，腐蚀速率小于0.003mm/a。

需要注意的是，以上数据仅供参考，实际的耐腐蚀性能受到多种因素的影响，如温度、浓度、流速等。

在具体应用中，应根据实际情况进行测试和评估。

第53卷第5期2024年5月人㊀工㊀晶㊀体㊀学㊀报JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS Vol.53㊀No.5May,2024钛基材Pt 涂层接触电阻及耐蚀性能研究宋㊀洁1,2,梁丹曦1,2,岳㊀骆2,3,徐桂芝1,2,胡㊀晓2,常㊀亮2,徐㊀超1(1.华北电力大学,能源动力与机械工程学院,北京㊀102206;2.先进输电技术全国重点实验室(国网智能电网研究院有限公司),北京㊀102209;3.清华大学,高端装备界面科学与技术全国重点实验室,北京㊀100084)摘要:质子交换膜(PEM)电解制氢系统因具有宽范围㊁快速动态响应能力,在新能源消纳㊁电网调峰等领域具有广阔的应用前景㊂为了提升制氢电解堆电传输性能,降低接触电阻,本文利用磁控溅射技术制备了钛毡和钛板上的Pt 涂层,并对这些涂层进行了研究,探究了制备工艺对薄膜的微观结构㊁传输性能和耐蚀性能的影响㊂研究发现,最佳磁控溅射工艺包括等离子清洗时间20min,溅射时间10min,以及溅射功率100W㊂在接触电阻方面,镀有铂的钛毡表现出优异的接触电阻性能㊂通过SEM 和EDS 测试分析,发现随着功率和时间的增加,Pt 颗粒的尺寸逐渐增大㊂然而,当颗粒尺寸过大时,Pt 颗粒之间发生相互挤压,导致微小裂纹的产生,从而影响Pt 涂层耐蚀性能㊂这些研究结果对于优化PEM 制氢电解堆的性能,提高其稳定性具有重要意义㊂关键词:Pt 涂层;PEM 膜电解制氢;磁控溅射;工艺参数;微观结构;接触电阻;耐蚀性能中图分类号:TG174.4㊀㊀文献标志码:A ㊀㊀文章编号:1000-985X (2024)05-0873-09Study on the Conductive and Corrosion-Resistant Properties of Pt Coatings on Titanium SubstratesSONG Jie 1,2,LIANG Danxi 1,2,YUE Luo 2,3,XU Guizhi 1,2,HU Xiao 2,CHANG Liang 2,XU Chao 1(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering,North China Electric Power University,Beijing 102206,China;2.State Key Laboratory of Advanced Power Transmission Technology (State Grid Smart Grid Research Institute Co.,Ltd.),Beijing 102209,China;3.State Key Laboratory of Tribology in Advanced Equipment,Tsinghua University,Beijing 100084,China)㊀㊀收稿日期:2023-11-22㊀㊀基金项目:国家重点研发计划(2021YFB4000100);国家电网有限公司科技资助项目(521532220014);国家资助博士后研究人员计划(C 档)(GZC20231287)㊀㊀作者简介:宋㊀洁(1982 ),女,河北省人,教授级高工㊂E-mail:songjie_bj@ ㊀㊀通信作者:徐㊀超,教授㊂E-mail:mechxu@Abstract :Proton exchange membrane (PEM)water electrolysers for hydrogen production boast a wide range of flexible and adjustable capabilities,including fast dynamic responses.They hold extensive potential in fields like new energy consumption and power grid peak shaving.To enhance the electrical transmission performance and minimize the contact resistance of the water electrolyser stack,this study employs magnetron sputtering technology to deposit Pt coatings on titanium felt and titanium plates.Scholarly investigation has increasingly adopted innovative methodologies like magnetron sputtering to develop advanced electrode materials.Central to this research is an in-depth examination of the effects of magnetron-sputtered Pt coatings on titanium felts and plates.The study meticulously analyzed these coatings to elucidate their microstructural characteristics,transport properties,and corrosion-resistance.Rigorous experimentation determined the optimal sputtering parameters:a 20min plasma cleaning phase,a 10min sputtering period,and a power input of 100watts.These precise conditions yielded coatings with notable performance attributes.Specifically,the study highlighted a significant reduction in contact resistance for platinum-coated titanium felts,demonstrating the sputtering technique s ability to enhance charge transfer kinetics efficiently.Analysis of the platinum particle dynamics employed SEM and EDS,revealing that increased sputtering power and duration led to larger platinum particles.However,maintaining a balance is crucial,as excessive particle enlargement may induce compressive forces between particles,causing micro-fissures that could compromise the coatings corrosion-resistance.In conclusion,the insights derived from this research are instrumental in improving the overall efficiency and durability of PEM874㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷electrolysis systems.By optimizing the fabrication process and understanding the relationship between deposition parameters and material characteristics,this study makes a significant contribution to advancing robust hydrogen production technologies, further supporting the integration of clean energy solutions.Key words:Pt coating;PEM water electrolysers for hydrogen production;magnetron sputtering;process parameter; microstructure;contact resistance;corrosion-resistant property0㊀引㊀㊀言新能源主导的新型电力系统肩负着能源转型的重要使命,作为清洁低碳㊁高效安全的能源体系组成部分[1-2]㊂然而,由于新能源的波动性和负荷的随机性相互叠加,电力系统的能量/功率平衡问题逐渐凸显,威胁着系统的稳定运行[3-4]㊂在这种情况下,寻找可调节的负荷成为解决方案之一,将可再生能源转化为氢能被认为是支持高比例新能源电网能量/功率平衡,保障能源系统安全的关键方法之一[5]㊂氢能具有绿色无碳㊁适于长期存储等特点,是构建低碳高效现代能源体系的关键媒介[6]㊂质子交换膜(proton exchange membrane,PEM)电解水制氢因出色的动态调节能力,能够支撑可再生能源的消纳,平抑波动性和间歇性等特点,具有巨大潜力[7-8]㊂PEM电解水制氢中的核心部件,如双极板和多孔传输层,在酸性㊁高电压工作环境下容易受到腐蚀,最终影响其性能,从而影响整个电解堆的欧姆阻抗[9-10]㊂铂涂层作为PEM电解堆最常用的涂层之一,成功降低了欧姆阻抗,提升了接触性能,从而优化了电解堆的性能[11-12]㊂然而,目前关于铂涂层的研究主要集中在制备方法和表面性能测试方面,对于工艺参数等方面的研究相对较少㊂磁控溅射表面处理技术作为一种物理气相沉积工艺,具有能量高[13-14]㊁结合力强[15-16]㊁膜层致密[17]㊁溅射速率高[18]㊁基底升温小和环保等特点[19]㊂本研究利用磁控溅射技术,系统研究了不同等离子清洗时间㊁功率和时间等工艺参数对钛毡和极板涂层性能的影响规律㊂通过接触电阻测试㊁扫描电镜,以及电化学测试等手段,深入分析了涂层的电学和力学性能㊂本文的研究成果有助于更好地理解涂层制备过程中的关键参数对性能的影响,为优化电解堆的设计和性能提供了有力的支持㊂1㊀实㊀㊀验1.1㊀实验原料和制备方法本次实验选用了钛毡(贝卡尔特有限公司)及直径为13mm的工业TA1圆片作为基材(陕西盈高金属材料有限公司)㊂在制备样品之前,首先通过磨抛机(UNIPOL-1502自动精密研磨抛光机,沈阳科晶自动化设备有限公司)对圆片进行打磨处理,设置转速为300r/min,打磨至达到3000目(5nm)的细度㊂接着,将样品置于无水乙醇中进行超声处理,时间为15min,然后进行烘干,为后续的溅射制备做好准备㊂本实验使用磁控溅射仪(Moorfield-MiniLab S060M,英国Quantum Design公司)㊂所用的靶材纯度达到99.99%,尺寸为ϕ76.2mmˑ3mm,使用高纯氩气作为反应气体㊂在样品和靶材之间,设置了45ʎ的夹角㊂在进行镀膜前,通过等离子清洗对样品进行了彻底的清洁,然后进行了溅射沉积㊂具体的沉积工艺参数如表1所示㊂表1㊀不同样品的磁控溅射工艺参数Table1㊀Magnetron sputtering process parameters of different samplesSample Time/min Power/W Pressure/(10-3bar)Rotation speed/(r㊃min-1)11100552510055310100554151005551030055610500551.2㊀性能测试与表征实验中,对制备好的样品进行了一系列表征㊂首先,使用扫描电子显微镜(FESEM;SU8220,日本日立㊀第5期宋㊀洁等:钛基材Pt 涂层接触电阻及耐蚀性能研究875㊀公司)对样品进行了表面形貌观察,主要观察了Pt 粒径大小㊁表面覆盖情况等特征㊂随后,进行了能谱分析(EDS;QUANTAX,Bruker 公司),以观察Pt 的含量和分布情况㊂接着,使用电导率测试仪测量了不同样品的接触电阻和导电率,以获得样品的电学性能数据㊂最后,采用电化学工作站对样品进行了动电位极化曲线测试,以获取腐蚀电流密度和腐蚀电位等信息㊂在电化学工作站(CHI600E,上海辰华仪器有限公司)测试中,使用氯化银参比电极㊁10mm ˑ10mm 方形铂片辅助电极和镀铂钛圆片工作电极构成了三电极体系,电解液采用去离子水㊂在连接设备后,首先进行了2~3h 的开路电压稳定,然后打开塔菲尔曲线进行动电位极化曲线测试㊂测试过程中,初始电位设置为-0.8V,终止电位设置为1.2V,扫描速率为0.001V /s㊂通过这些测试,获得了不同清洗时间样品的极化曲线数据,进一步分析了镀铂钛圆片的腐蚀性能㊂2㊀结果与讨论2.1㊀等离子清洗时间对镀层的影响在实验中,经过一般清洗和深度清洗的基材在放入溅射镀膜机或者在真空室抽真空过程中,往往会因为各种因素而遭受二次污染㊂然而,等离子清洗作为一种在基材固定于基台且真空环境下进行的清洗方式,排除了二次污染的可能性,保持了镀膜前基材表面的高度纯净㊂此外,等离子清洗还能提高基材表面的润湿性,增加基材表面的极性,为后续镀层原子与基材之间的键合提供必要的能量㊂为了研究磁控溅射等离子清洗时间对Pt 涂层及其性能的影响,本节设置清洗功率为300W,氩气流量为50mL /min,改变等离子清洗时图1㊀清洗时间对薄膜厚度的影响Fig.1㊀Effect of cleaning time on film thickness 间为5㊁10㊁15min㊂如图1所示,随着等离子清洗时间的增加,Pt 膜的厚度呈现出先增加后减小的趋势㊂当等离子清洗时间为20min 时,薄膜厚度达到最大值(约76nm)㊂这是因为适度的等离子清洗时间对基材的温度影响相对较小,随着基底温度增加,磁控溅射产生的粒子到达基底时具有更大的动能使表面更容易扩散成核,这有利于增加靶材表面受到等离子体轰击的数量,从而促进原子的沉积㊂然而,过长的等离子清洗时间会导致基材温度不断升高,过高的增加表面的激发状态,导致钛原子从基材表面脱离,产生表面刻蚀现象,降低表面活性,进而影响涂层与基材的结合强度㊂因此,在制备过程中需要权衡等离子清洗时间,以确保合适的表面性能和涂层质量㊂不同等离子清洗时间对钛毡接触电阻的结果如图2(a)和(b)所示,BEK56代表基材,而 Fuel Cell 则是商业化成熟产品㊂可以看出在对BEK56进行镀铂处理后,其钛毡接触电阻,从6.5mΩ㊃cm 2@2MPa 明显下降至1.5mΩ㊃cm 2@2MPa,显示出显著的电性能提升㊂然而,对于不同等离子清洗时间的样品,其接触电阻之间的差异不大,这可能是因为涂层接触电阻性能受影响的因素与等离子清洗时间的关系较低㊂腐蚀电流密度(I corr )是衡量材料抵抗腐蚀的关键参数,对应于材料腐蚀电位下的电流密度㊂从图2(c)的测试结果可以看出,不同样品的腐蚀电流密度分别为3.00ˑ10-7㊁1.89ˑ10-8㊁9.50ˑ10-7A /cm 2,实验环境为电解制氢等效环境,其中pH 值为5.5,温度为60ħ㊂从结果来看,当等离子清洗时间为20min 时,样品的腐蚀电流密度最低,表现出较好的耐蚀性能,这可能是因为适宜的等离子清洗时间有助于保持涂层的表面状态,这主要有以下三个方面的表现:首先是表面清洁度提高,等离子清洗去除了表面的油污㊁氧化层和其他杂质,提高了涂层与基体材料的结合力,减少了腐蚀萌生;其次是表面活性增强,等离子处理可能在表面形成更多的活性位点,促进涂层更好地附着并形成均匀连续的保护层;最后是微观结构优化,可能在微观层面改善了涂层的结构,使其更致密,减少了腐蚀介质渗透到基体的机会,从而提高了其耐蚀性能㊂不同清洗时间下的Pt 涂层SEM 照片如图3所示㊂从图中可以明显看出,所有的Pt 涂层表面都有小颗粒的沉积㊂当清洗时间从10min 延长至20min 时,沉积在钛毡表面的Pt 颗粒数量呈逐渐增加的趋势,同时晶粒尺寸也有明显提升,这种现象可能是由于较长的清洗时间有助于更多的Pt 颗粒被溅射到表面,并且晶876㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷粒尺寸的增大进一步提升了薄膜的比表面积,从而增强了薄膜的电化学性能㊂然而,随着清洗时间进一步增加,当达到30min时,晶粒尺寸和数量开始略微减小,并且在样品表面出现了较为明显的刻蚀现象㊂这可能是过长的清洗时间导致氩离子轰击基材表面的能量增加,超过了钛原子之间相互作用的结合能,进而使钛原子从表面脱离,引发刻蚀现象,降低了表面的活性和涂层的稳定性㊂此外,由于离子清洗进行的时间越长,基材表面和等离子体之间的相互作用也越多,因为等离子体中的高能粒子和辐射持续作用于表面,转换为热能导致基材温度升高;基材温度的升高可以加速等离子中的化学反应,会减少达到相同清洗效果所需的时间㊂但是,这种效应到达一定阈值后可能会逆转,温度过高会导致基材损伤或改变材料特性㊂控制等离子清洗的时间,可以防止温度升高到损害基材的程度㊂图2㊀不同等离子清洗时间后Pt涂层的接触电阻(a)㊁(b)和腐蚀电流密度(c)Fig.2㊀Contact resistance(a),(b)and corrosion current density(c)of Pt coating after plasma cleaning for different time图3㊀不同等离子清洗时间后Pt涂层的SEM照片Fig.3㊀SEM images of Pt coating after plasma cleaning for different time2.2㊀磁控溅射时间对镀层的影响不同磁控溅射时间下的Pt涂层厚度与接触电阻之间的关系如图4所示㊂结果表明,随着溅射时间的延长,Pt涂层的厚度逐渐增加㊂具体来说,溅射1㊁5㊁10㊁15min所得的涂层厚度分别为10㊁45㊁68㊁64nm㊂值得注意的是,在溅射10min时,涂层厚度达到最大,之后随着时间的继续增加,涂层厚度不再显著增加㊂采用㊀第5期宋㊀洁等:钛基材Pt涂层接触电阻及耐蚀性能研究877㊀电导率测试仪对不同溅射时间下的镀铂钛毡进行了接触电阻测试,随着压力的增加,样品与测试台之间的接触点面积也随之增大,随着磁控溅射时间的增加,Pt涂层逐渐覆盖了表面形成了更多的导电位点,从而提高了表面的电导率㊂当接触点逐渐趋于稳定时,表面电导率也趋于稳定㊂考虑到实际应用中电解堆的组装压力通常为2MPa,因此将该压力作为接触电阻的测试标准,可以发现不同溅射时间的镀Pt涂层均能显著提升钛毡的导电性能,降低表面的接触电阻㊂这主要归因于等离子清洗去除了钛表面的钝化层,同时高导电性的Pt涂层也覆盖了表面,接触电阻随时间的增加而增大,明显表现出正相关关系㊂然而,当磁控溅射时间超过10min后,不同样品的接触电阻差异较小㊂不同磁控溅射时间的钛毡微观结构如图5和图6所示,可以发现随着磁控时间的不断增大,钛毡表面不断被Pt所覆盖,Pt的覆盖面积不断增大,这与磁控溅射时间与Pt层厚度之间关系保持一致㊂此外,随着磁控溅射时间的不断增加,Pt的晶粒大小也不断增大㊂图4㊀不同溅射溅射时间下薄膜厚度(a)和接触电阻(b)㊁(c)曲线Fig.4㊀Thickness(a)and contact resistance(b),(c)curves for different sputtering time图5㊀不同溅射时间下的Pt涂层EDS㊂(a)㊁(b)1min;(c)㊁(d)5min;(e)㊁(f)10min;(g)㊁(h)15min Fig.5㊀EDS of Pt coating for different sputtering time.(a),(b)1min;(c),(d)5min;(e),(f)10min;(g),(h)15min878㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图6㊀不同溅射时间下的Pt 涂层SEM 照片㊂(a)㊁(b)1min;(c)㊁(d)5min;(e)㊁(f)10min;(g)㊁(h)15min Fig.6㊀SEM images of Pt coating for different sputtering time.(a),(b)1min;(c),(d)5min;(e),(f)10min;(g),(h)15min图7㊀不同溅射时间下的极化曲线图Fig.7㊀Tafel curves for different sputtering time 通过电化学工作站和三电极体系对镀铂钛片进行动电位极化曲线测试㊂在测试过程中,初始电位设定为-0.8V,终止电位设定为1.2V,扫描速率为0.001V /s㊂不同镀膜时间样品的极化曲线如图7所示,根据Tafel 拟合,磁控溅射时间10㊁15min 的钛片的腐蚀电流密度分别为7.01㊁6.91μA /cm 2㊂这些结果表明涂层在耐蚀性方面发挥了明显作用,形成了一道保护性屏障,对基材的钛毡进行了保护㊂这对于电解堆的长时间稳定运行具有重要意义㊂通过分析这些数据,可以更好地理解涂层在保护基材方面的效果,并为电解堆的性能和稳定运行提供有益信息㊂2.3㊀镀膜功率对镀层的影响不同磁控溅射功率对Pt 性能的影响如图8所示㊂可以看出Pt 薄膜厚度随溅射功率增加而明显增加,溅射功率为500W 的样品涂层厚度为285nm,而磁控溅射功率为100W 的样品涂层厚度为68nm㊂这是由于高的磁控溅射功率会激发大量的Pt,引起单位时间内沉积量增加,厚度明显增加;随着厚度的增加,其接触电阻明显降低,从100W 样品的2.5mΩ㊃cm 2@2MPa 降低到0.15mΩ㊃cm 2@2MPa,这主要是涂层厚度越厚,接触位点增多,接触电阻降低,导电性增强,最终降低了电解堆中的欧姆阻抗㊂为了探究不同磁控溅射功率对Pt 涂层的表面结构与性能之间的关系,进行了SEM 测试(见图9)㊂通过图像观察,可以明显发现磁控溅射功率与Pt 涂层中晶粒的大小之间存在直接的关联㊂随着磁控溅射功率的增加,Pt 晶粒的尺寸也逐渐增大㊂例如,在磁控溅射功率为100W 的样品中,Pt 晶粒的尺寸约为30nm,而在磁控溅射功率为500W 的样品中,Pt 晶粒的尺寸增长到了约150nm㊂这种现象主要是由于高功率的磁控溅射过程中,更多的Pt 粒子被激发并在基底上沉积,在[111]方向上的生长显著增大㊂同时,高功率溅射产生的能量更高的原子有助于在基底中快速扩散和迁移,从而促进了晶粒的更快生长,形成较大的晶粒㊂此外,在磁控溅射过程中,随着功率的提升,腔室内的溅射气压也逐渐增加㊂这是因为较高的功率提高了气体的电离效率,增加了氩离子的最大饱和度㊂当腔室内的氩离子浓度未达到饱和状态时,沉积速率随着溅射气压的增加而增大㊂此时,溅射过程中的氩离子可以更充分地参与靶材溅射,从而形成更大尺寸的晶粒㊂从实验结果来看,当溅射量较少时,涂层表面出现相互分离的团簇体㊂在这种情况下,涂层的导电功能主要通过电子隧穿效应实现㊂然而,随着溅射量的增加,晶粒尺寸逐渐增大,导致金属团聚现象的发生,从而在涂层内部形成了导电通道㊂这使涂层的导电方式由电子隧穿方式转变为接触导电方式,呈现出更低的电阻特性㊂㊀第5期宋㊀洁等:钛基材Pt涂层接触电阻及耐蚀性能研究879㊀图8㊀不同溅射功率的薄膜厚度(a)和接触电阻(b)㊁(c)曲线Fig.8㊀Thickness(a)and contact resistance(b),(c)curves with different sputtering powers图9㊀不同磁控溅射功率下的Pt涂层SEM照片㊂(a)㊁(b)100W;(c)㊁(d)300W;(e)㊁(f)500W Fig.9㊀SEM images of Pt coating with different sputtering powers.(a),(b)100W;(c),(d)300W;(e),(f)500W通过电化学工作站和三电极体系对不同磁控溅射功率样品进行极化曲线测试,其结果如图10所示㊂磁控溅射功率100㊁300和500W的钛片的腐蚀电流密度分别为7.12㊁6.87㊁6.52μA/cm2㊂随着镀膜功率的增大,腐蚀电流密度并没有进一步减小㊂这说明随着Pt晶粒密度和尺寸的急剧增大,样品的耐腐蚀性并没有得到较好改善,说明粒径的过度增长会影响镀膜材料的耐腐蚀性,这主要是由于晶粒增大其发生较大的晶界界面出现,晶界处活性较高极其容易发生点蚀等腐蚀萌生行为,因此耐蚀性下降㊂880㊀研究论文人工晶体学报㊀㊀㊀㊀㊀㊀第53卷图10㊀不同溅射功率下的极化曲线图Fig.10㊀Tafel curves with different sputtering powers3㊀结㊀㊀论通过磁控溅射对钛毡及钛片进行镀铂,并将得到的样品进行各种电性能及微观测试,得到结论如下: 1)等离子清洗是去除钛毡氧化层㊁提升钛毡电传导性能的有效方法,溅射时保持其他工作条件不变,提高清洗时间可以降低钛毡的接触电阻㊂镀层厚度㊁电导率及耐腐蚀性会随着清洗时间的增加先增大后减少,等离子清洗时间为20min时钛毡性能达到最优㊂2)磁控溅射时间对Pt涂层的厚度和晶粒尺寸产生影响㊂随着溅射时间的增加,涂层厚度逐渐增加,同时Pt晶粒的尺寸也逐渐增大㊂当磁控溅射时间为10min时,晶粒尺寸增大至约60nm,此时接触电阻降至0.15mΩ㊃cm2@2MPa㊂相较于未镀铂的钛毡,接触电阻下降了一定比例㊂EDS分析显示,磁控溅射10min 的样品表现出均匀的Pt分布,表明优异的电传输性能㊂3)磁控溅射功率对Pt涂层的厚度和晶粒尺寸具有直接影响㊂高功率的溅射会激发高能量的Pt原子,加速在基底中的扩散和迁移,导致晶粒尺寸增大㊂500W功率下的样品,Pt晶粒尺寸增至约150nm,但晶粒之间的挤压造成微小裂纹㊂涂层的导电机制由电子隧穿方式转变为接触导电方式,呈现出宏观层面的低电阻特性㊂参考文献[1]㊀欧阳明高.发展可再生能源制氢推进氢能产业高质量发展[J].科学新闻,2022,24(2):17-19.OUYANG M G.Developing hydrogen production from renewable energy to promote the 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proportion of renewable energy[J].Electrical&Energy Management Technology,2021(11):1-7(in Chinese).[6]㊀邵志刚,衣宝廉.氢能与燃料电池发展现状及展望[J].中国科学院院刊,2019,34(4):469-477.SHAO Z G,YI B L.Developing trend and present status of hydrogen energy and fuel cell development[J].Bulletin of Chinese Academy of Sciences,2019,34(4):469-477(in Chinese).[7]㊀俞红梅,邵志刚,侯㊀明,等.电解水制氢技术研究进展与发展建议[J].中国工程科学,2021,23(2):146-152.㊀第5期宋㊀洁等:钛基材Pt涂层接触电阻及耐蚀性能研究881㊀YU H M,SHAO Z G,HOU M,et al.Hydrogen production by water electrolysis:progress and suggestions[J].Strategic Study of CAE,2021, 23(2):146-152(in Chinese).[8]㊀赵雪莹,李根蒂,孙晓彤,等. 双碳 目标下电解制氢关键技术及其应用进展[J].全球能源互联网,2021,4(5):436-446.ZHAO X Y,LI G D,SUN X T,et al.Key technology and application progress of hydrogen production by electrolysis under peaking carbon dioxide emissions and carbon neutrality targets[J].Journal of Global Energy Interconnection,2021,4(5):436-446(in Chinese). 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涂料工艺中的纳米材料应用纳米材料应用在涂料工艺中是一种新的趋势和发展方向。

这种工艺方式，不仅可以改善涂料的性能，还可以减少污染和提高环保性。

本文将从纳米材料对涂料性能的改善、较大颗粒与纳米颗粒的对比、纳米涂料的应用场景三个方面，来介绍纳米材料在涂料工艺中的应用。

一、纳米材料对涂料性能的改善纳米材料应用在涂料中，可以大幅度提高其物理、化学性能，并增加其耐久性和使用寿命。

其中，正常颗粒涂料的抗紫外线和抗氧化等方面的保护能力远不及纳米涂料。

比如，纳米二氧化钛的超高反射功率，可以吸收更多的紫外线，从而保护涂层和基面的颜色和物理性能。

同时，纳米铜、纳米锌、纳米钛等材料被广泛应用于抗菌和防腐方面的涂料制作。

纳米银对于由细菌、病毒引起的各种疾病具有较好的抑制效果，并且不会影响其它的工程性能。

此外，纳米材料应用在涂料中还有一大好处，就是可以提高其耐磨性和硬度。

这就意味着，当涂料中的纳米材料与基体材料混合之后，其表面硬度和强度明显增强，从而使涂料表面防抗刮擦或者抗滑动的性能得到了提升。

在实际应用中，纳米涂料可以减少因擦伤导致的涂料损伤和医疗器械表面的损坏。

二、较大颗粒与纳米颗粒的对比尽管涂料工业中较大颗粒型涂料以及干燥后的涂层形成了许多成功的材料，一个重要指标是控制涂料粒子的大小和形状进行操作。

而纳米颗粒作为超细颗粒，其尺寸表面型状可以根据需要进行优化设计，比如表面改性，它可以更加均匀地散布于基体中，有利于涂膜的均匀性和光泽度，增强涂层的附着力和耐磨性。

此外，纳米颗粒也可以更好的实现材料的箔状方向性。

这种纳米颗粒在吸收高能辐射时，能够产生特定的界面应变，增加材料结构元器件的受力性能，并可使7 颗粒径尺寸大大减小，使得微粒化涂料能够更好地渗透到基体中，从而提高涂层对基地的黏附性和耐久性，增强其遮盖力和防污染能力。

三、纳米涂料的应用场景目前，纳米涂料的应用场景主要包括建筑、汽车、家电、医疗、航空等领域。

其中，对于建筑方面，抗菌防霉涂料和耐污染方面的涂料得到了广泛应用，通过涂料的表面结构和功能来实现各类不同的性能。

钛纳米涂层换热器管束在大型冷换设备中的应用
王巍
【期刊名称】《石油化工腐蚀与防护》
【年(卷),期】2024(41)3
【摘要】针对石油化工装置中的特大型水冷器与冷凝器的设备防腐,目前主要是采用热固化涂料对换热器管束进行防腐涂装。

经过实践证明,防腐蚀涂层通常使用
2~3 a便会出现失效问题,其使用寿命达不到设计要求。

某0.6 Mt/a甲醇深加工装置丙烯制冷剂冷凝器循环水侧管束的防腐蚀涂层已使用3 a,重点对该管束涂层的失效原因进行分析,认为其失效原因主要有两个,一是涂层材料与涂装的问题;二是涂层表面存在水垢层,造成垢下腐蚀,使换热管热阻增加,冷凝效果下降。

根据换热器管束防腐涂层存在的问题,设计了一种节能防腐钛纳米涂层管束。

此钛纳米涂料可常温固化,有利于现场涂装施工。

管束经涂装后可以连续安全使用10 a以上,在换热器管束防腐蚀技术中,钛纳米涂层是目前综合效益最好的一种。

【总页数】6页(P45-50)
【作者】王巍
【作者单位】中国石油大庆石化公司
【正文语种】中文
【中图分类】TG1
【相关文献】
1.钛纳米聚合物涂层技术在炼油厂换热设备中的应用
2.钛纳米聚合物涂层在冷却器管束上的应用
3.钛纳米涂层技术解决换热设备管束内表面腐蚀
4.“节能防腐钛纳米涂层换热管束的研制”项目通过鉴定
5.钛纳米涂层技术解决管束涂层高温固化的施工难题
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钛金属聚合物涂料
张靖慧
【期刊名称】《全面腐蚀控制》
【年(卷),期】1998(012)003
【摘要】本文探讨球磨机制备钛金属聚合物的原理，钛金属聚合物的Ｘ射线光电能谱（ＸＰＳ）表征，以及利用钛金属聚合物配制的涂料耐腐蚀性能。

【总页数】3页(P23-25)
【作者】张靖慧
【作者单位】吉化研究院腐蚀与防护研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TQ633
【相关文献】
1.除锈等级对钛纳米聚合物涂料防腐性能的影响研究 [J], 张兴旺;张国福;石伟海;朱健
2.钛纳米改性聚合物防腐涂料的研究 [J], 刘志刚;黄青娜;张巨生;李玉成;胡璇;高雪田
3.节能防腐钛纳米聚合物涂料的应用与涂装 [J], 王巍
4.钛纳米聚合物涂料在磷酸尾气风机叶轮上的应用 [J], 何宾
5.含钛涂料中金属钛与环氧树脂之间相互作用的X射线光电子能谱（XPS）表征[J], 李少羽
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科普国内外管道腐蚀与防护研究进展1、前言管道输送流体具有成本低、安全等优点，是应用最为广泛的流体输送方式。

但由于管道大都埋于地下，会受到输送介质、土壤、地下水以及杂散电流的腐蚀，腐蚀会导致管壁变薄，甚至穿孔泄漏，最终使管道失效[1]，这不仅造成了巨大的经济损失和资源浪费，同时，泄漏物还会造成环境污染。

据统计，全世界每年因腐蚀损失掉大约10%~20%的金属，造成的经济损失超过1.8万亿美元[2]。

中国工程院调查结果表明，2008年我国因腐蚀造成的经济损失就高达1.2万亿至2万亿元人民币。

目前国内外学者对管道腐蚀的研究主要集中在防腐涂料的研制、缓蚀剂的开发、腐蚀的检测、腐蚀预测模型的建立等。

详细的分析输水管道、输油管道、输气管道的腐蚀机理，对比防护方法和腐蚀监测方法，可以为腐蚀防护的相关研究提供参考，以减少腐蚀所带来的损失。

本文主要对输水管道腐蚀与防护、输油管道腐蚀与防护以及输气管道腐蚀与防护的研究现状进行综述，并提出了一些建议和展望。

2、管道腐蚀与防护2.1输水管道的腐蚀与防护输水管道腐蚀是由水体中的腐蚀成分引起的，按输送水质的不同，输水管道一般分为城市供水管道和排污管道。

2.1.1城市供水管道的腐蚀与防护水本身是电解质，在管道内表面属性有差异的部位形成电极，从而形成电化学腐蚀。

电化学腐蚀是城市供水管道腐蚀的主要机理。

管壁表面是否清洁，有无杂质，对腐蚀的发生和发展速率有很大的影响。

供水过程中的溶解氧、CO2、硫酸盐、氯化物、残留消毒剂也对管道的腐蚀有一定影响。

自来水中的Cl-会破坏钝化膜，并且作为腐蚀的催化剂，诱导Fe2+水解，进而腐蚀管道，通过实验得出Cl-腐蚀浓度范围为0.2~0.6mg/L。

微生物[3]亦是给水管道腐蚀影响因素之一，自养需氧型铁细菌（IRB）和异样厌氧型硫酸盐还原菌（SRB）是最主要的腐蚀菌种。

有学者[4]研究了水流速度对腐蚀的影响，水流速度与氧气到金属表面的速度成正比，同时水流冲刷金属表面的腐蚀产物，加快金属的腐蚀速率，进而加快管道的腐蚀。