高温LiBr溶液中SUS304不锈钢抗腐蚀膜的制备与表征

摘要

面对能源消耗与日俱增和能源利用率相对较低的现状，采用第二类吸收式热泵将低品位的废热提高到较高品位，从而实现废热回收利用的技术受到广泛关注。吸收工质-LiBr溶液的高温腐蚀限制了热泵技术的应用范围，是高温吸收式热泵的关键技术之一，本文将针对高温吸收式热泵中的腐蚀及其防护问题进行研究。
　　 选择不添加任何缓蚀剂的LiBr溶液，考察了SUS304奥氏体不锈钢在150-200℃LiBr溶液中的腐蚀规律。结果表明，在高温环境中，LiBr溶液浓度是腐蚀速率和溶液中溶解金属离子浓度的主要影响因素；同时发现，SUS304不锈钢在高温高浓度LiBr溶液中的腐蚀状态存在由点蚀转变为膜状腐蚀的演化规律，并分析了腐蚀状态的转变机理。
　　 基于不锈钢在高温高浓度LiBr溶液中由点蚀向膜状腐蚀的转变规律，利用改进水热合成法，在溶液中添加微溶的无机硅配制成膜溶液，在腐蚀体系内边腐蚀边沉积原位制备新型的无机复合硅膜。通过对其结构和性能的表征，证实复合硅膜层主要由两部分组成：腐蚀溶液中不锈钢腐蚀生成的金属氧化物和溶液中溶解并同时沉积到试样表面的硅网状结构。而且两部分并非独立存在，无机硅在热碱中溶解并通过脱水缩合反应与金属氧化物及试样基体发生键合作用，在试样表面形成复合硅膜。脱水缩合形成的-Si-O-Fe、-Si-Fe键，使得膜层较致密且结合力增强，可显著提高其抗腐蚀性。
　　 选择SiO2颗粒为无机硅源，在LiBr溶液中制备无机复合硅膜。通过考察Si添加量、LiBr溶液浓度、溶液pH值以及成膜时间对腐蚀体系内制备抗腐蚀性无机复合硅膜的工艺参数进行了优化研究。确定了最佳成膜工艺参数为：加Si量为29ppm，溶液pH值为10.6，溶液浓度为57.8％。制备膜的点蚀电位为0.75V、自腐蚀电位为OV、接触角为69°，具有一定的亲水性和良好的抗腐蚀性。
　　 选用双功能性硅氧烷1，2-二(甲基二乙氧基硅基)乙烷(BMBSE)为原料，在SUS304不锈钢基体表面，利用提拉法成功制备了双功能性硅氧烷BMBSE有机硅膜。检测结果表明，双功能性BMBSE硅膜具有-Si-O-Fe、Si-O-Si网状结构，提高了膜层的致密性和结合力，显著提高了SUS304不锈钢的耐腐蚀能力。根据BMBSE的结构及对成膜机理的分析，采用羟基含量高的TEOS对BMBSE膜进行改进，提高了复合膜内-Si-O-Fe、Si-O-Si的键合密度.膜层结构更加致密，抗腐蚀性进一步增强。最后考察了各成膜影响因素对复合硅膜性能的影响，得到了最优成膜溶剂配比。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1 文献综述

1.1 第二类吸收式热泵简介

1.2 LiBr溶液的腐蚀规律研究

1.2.1 不同操作条件

1.2.2 不同基体材料

1.2.3 不同缓蚀剂

1.3 不锈钢在LiBr溶液中的腐蚀机理研究

1.3.1 卤族离子点蚀演变过程

1.3.2 环境对点蚀演变的影响

1.3.3 Br-与Cl-的腐蚀差异

1.4 抗腐蚀膜研究现状

1.4.1 抗腐蚀膜制备方法

1.4.2 高温抗腐蚀膜的分类及研究

1.4.3 伪不锈钢钝化膜的制备

1.4.4 不锈钢腐蚀产物膜的结构及改进

1.5 文献小结

1.6 本文研究思路和内容

2 SUS304不锈钢在高温LiBr溶液中的腐蚀规律

2.1 高温浸泡腐蚀实验装置

2.2 高温浸泡实验材料及方法

2.2.1 高温腐蚀实验材料

2.2.2 高温腐蚀实验方法

2.2.3 高温腐蚀形貌和产物表征

2.3 高温浸泡腐蚀实验结果与讨论

2.3.1 最佳腐蚀周期的确定

2.3.2 正交实验考察影响因素

2.3.3 单因素对高温腐蚀的影响

2.4 机理讨论

2.5 本章小结

3 腐蚀体系内高温抗腐蚀性无机复合硅膜的制备与表征

3.1 腐蚀体系内制备无机复合硅膜的思路及方法

3.1.1 制膜思路

3.1.2 制膜方法

3.1.3 表征方法

3.2 无机硅的选择

3.2.1 无机硅的水解及溶解度

3.2.2 无机硅的选择

3.3 LiBr-玻璃成膜溶液制备无机复合硅膜结构与性能表征

3.3.1 无机复合硅膜形貌及组成

3.3.2 无机复合硅膜结构

3.3.3 无机复合硅膜的性能

3.4 LiBr-硅酸成膜溶液制备无机复合硅膜结构与性能表征

3.4.1 无机复合硅膜形貌

3.4.2 无机复合硅膜组成及耐腐蚀性能

3.5 LiBr-SiO2颗粒成膜溶液制备无机复合硅膜结构与性能表征

3.5.1 无机复合硅膜形貌

3.5.2 无机复合硅膜结构

3.5.3 无机复合硅膜的性能

3.6 机理讨论

3.7 本章小结

4 腐蚀体系内制备高温抗腐蚀性硅膜工艺条件的优化

4.1 Si添加量对复合硅膜结构性能的影响

4.1.1 形貌表征

4.1.2 结构表征

4.1.3 性能表征

4.2 LiBr溶液浓度对复合硅膜结构和性能的影响

4.2.1 形貌表征

4.2.2 结构表征

4.2.3 性能表征

4.3 溶液pH值对复合硅膜结构和性能的影响

4.3.1 形貌表征

4.3.2 结构表征

4.3.3 性能表征

4.4 成膜时间对复合硅膜结构和性能的影响

4.4.1 XRD表征

4.4.2 XPS表征

4.5 最优工艺确定

4.6 本章小结

5 腐蚀体系外高温抗腐蚀性BMBSE有机硅膜的制备与表征

5.1 BMBSE有机硅膜制备原料及方法

5.1.1 制膜设备及原料

5.1.2 制膜方法

5.1.3 表征方法

5.2 BMBSE膜制备结果与讨论

5.2.1 形貌分析

5.2.2 结构分析

5.2.3 性能分析

5.3 工艺条件对BMBSE膜结构和性能的影响

5.3.1 溶液含水量对BMBSE膜结构和性能的影响

5.3.2 刻蚀处理对BMBSE膜结构和性能的影响

5.3.3 热处理温度对BMBSE膜的影响

5.4 BMBSE成膜机理

5.5 利用TEOS对BMBSE膜的改进

5.5.1 BMBSE/TEOS复合硅膜的制备

5.5.2 BMBSE/TEOS复合硅膜制备结果与讨论

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点汇总

致 谢

作者简介