一种原位生长的防腐碳层及其制备方法与应用

摘要

本发明属于表面防护技术领域，特别涉及一种原位生长的防腐碳层及其制备方法与应用。本发明通过酒精火焰燃烧提供高温碳源，在纯镍、镍基合金或带有镍基表面镀层的器件表面沉积生长致密的碳层，即为原位生长的防腐碳层。其中，原位生长的机理决定了防腐碳层和基体的紧密结合性，能有效地隔绝防护和减缓基体的腐蚀。相较于传统的复合涂料涂层和电镀涂层，本发明提供的酒精火焰生长沉积工艺具有设备简约、工艺简单、节能环保、成本低廉的优势，有利于规模化处理需要防护的器件。在酸性环境中，本发明所制备的防腐碳层能明显降低基体的腐蚀速率，且性能稳定。

说明书

技术领域

本发明属于表面防护技术领域，特别涉及一种原位生长的防腐碳层及其制备方法与应用。

背景技术

传统的溶剂型防腐涂料固含量只有50～60％，在生产和使用的过程中会产生挥发性有机物，污染空气，危害人体健康。新型的防腐涂层如石墨烯防腐涂层固含量达100％，且化学性质稳定，防腐性能优异。其中，石墨烯防腐涂层通常由化学气相沉积或离子溅射法直接生长在基体金属表面或将先生成的石墨烯转移涂敷至基体表面。但是制造该类涂层需要特殊的装备，且操作复杂，成本高，降低了涂层的性价比。

现有技术中关于防腐碳层，主要包括两个研究方向：(1)将碳材料作为一种填料添加到传统涂料中的应用技术，例如：CN107987680B、CN108285718B；(2)用离子溅射法在不锈钢表面沉积石墨烯防腐涂层的工艺(CN105568243A)，这些方法多数工艺复杂或设备昂贵，也不可避免的产生环境成本以及能源成本。

镍基镀层作为一种防护性涂层广泛应用在钢铁、铸件、铝合金和铜合金等金属材料或器件的表面，保护基材不受腐蚀，在形状复杂的航天发动机部件和微型电子元件的制造中的应用越来越广泛，但是其在酸性环境下耐腐蚀性能较差。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足和缺点，本发明的首要目的在于提供一种原位生长的防腐碳层的制备方法，该方法以纯镍、镍基合金或具有镍基表面镀层的器件为基体，燃烧的酒精火焰提供高温环境和碳源，在基体表面原位生长碳层。

本发明另一目的在于提供上述制备方法制备得到的原位生长的防腐碳层，该防腐碳层可以隔离腐蚀介质，在酸性环境下可增强基体的耐腐蚀性能，使基体具有稳定防腐性能。

本发明的再一目的在于提供上述原位生长的防腐碳层的应用。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种原位生长的防腐碳层的制备方法，包含如下步骤：

(1)将基体用酒精超声洗涤去除表面污渍并干燥；

(2)将经过步骤(1)处理后的基体置于酒精火焰内焰中处理，然后取出冷却，得到原位生长的防腐碳层；

步骤(1)中所述的基体优选为纯镍、镍基合金或具有镍基表面镀层的器件；

所述的器件尺寸根据火焰的大小来决定；

步骤(1)中所述的酒精的体积分数不小于75％；

步骤(1)中所述的超声洗涤的条件优选为在70-800W的功率下超声洗涤10-15min；

步骤(1)中所述的干燥的条件优选为20-25℃干燥0.5-10h；

步骤(2)中所述的酒精火焰内焰温度为340-1000℃，处理时长为7s-30min；

步骤(2)中所述的酒精的体积分数不小于75％；

一种原位生长的防腐碳层，通过上述制备方法制备得到；

所述的原位生长的防腐碳层在表面防护技术领域中的应用；

一种具有原位生长的防腐碳层的器件，包含作为基体的器件和器件表面附着的原位生长的防腐碳层；

所述的基体为纯镍器件、镍基合金器件或具有镍基表面镀层的器件；

本发明的机理为：

本发明采用乙醇燃烧火焰的内焰区域作为反应区，其中，内焰温度为340-1000℃；酒精燃烧过程产生的含碳活性基团在镍金属元素的催化下在基体表面沉积生长形成致密均匀的碳层，通过控制火焰处理的时间可以控制碳层的厚度。原位生长的机理决定了碳防护层和基体的紧密结合性，能有效地隔绝防护和减缓基体的腐蚀。在对于通常镍基金属非常严苛的酸性环境中，本发明所制备的碳防护层能明显降低基体的腐蚀速率，且性能稳定。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：

(1)本发明整个火焰处理工艺仅消耗少量酒精，不消耗其他能源，仅排放酒精燃烧生成的二氧化碳和水，不产生其它任何废弃物，成本极低，节能环保。

(2)相较于传统的复合涂料涂层、电镀涂层，本发明所提供的酒精火焰生长沉积工艺具有设备简约、工艺简单、快速、节能环保，成本低廉的优势，有利于易于大规模批量加工需要防护的器件。

(3)本发明针对的处理对象可以是纯镍、镍基合金以及具有镍基表面镀层的器件等，火焰处理时间可根据处理样品的大小、质量来调整，火焰处理时间越久，所得碳层越厚。

(4)酒精火焰中原位生长的防腐碳层具有稳定的化学性质，与基体结合紧密，有效的隔绝腐蚀介质(例如水和空气等)，可增强基体的耐腐蚀性能，使基体在酸性环境中具有稳定优异的防腐性能，其中，基体腐蚀速率降低3-10倍。

附图说明

图1是未经处理的镍片和实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片表面在光学显微镜下的形貌图；其中，A：未经处理的镍片，B：实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片。

图2是未经处理的镍片和实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片在0.5M盐酸中浸泡2h后其表面在光学显微镜下的形貌图；其中，A：未经处理的镍片，B：实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片。

图3是未经处理的镍片和在酒精火焰内焰中分别处理1min、3min、5min、10min、附着不同厚度原位生长的防腐碳层的镍片的极化曲线测试结果图。

图4是未经处理的镀镍螺钉和在酒精火焰内焰中处理5min、表面附着原位生长的防腐碳层的镀镍螺钉的产品展示图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。

实施例1

(1)裁剪1cm×1cm×0.1cm的镍片置于无水乙醇(乙醇质量分数≥99.7％)中以500W的功率超声洗涤10min，室温25℃干燥1h备用；

(2)将步骤(1)洗涤干燥后的镍片置于无水乙醇(乙醇质量分数≥99.7％)燃烧火焰内焰(400～450℃)中处理10min，然后取出冷却，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镍片，标记为C/Ni-10；其中碳层厚度平均约为0.8μm。

实施例2

其他条件和实施例1相同，火焰内焰中处理的时间为1min，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镍片，标记为C/Ni-1。

实施例3

其他条件和实施例1相同，火焰内焰中处理的时间为3min，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镍片，标记为C/Ni-3。

实施例4

其他条件和实施例1相同，火焰内焰中处理的时间为5min，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镍片，标记为C/Ni-5，其中碳层厚度平均约为0.1μm。

实施例5

(1)将镍铜合金(镍铜含量比67wt％：33wt％)置于体积分数为75％的酒精中以100W的功率超声洗涤15min，20℃干燥2h备用；

(2)将步骤(1)洗涤干燥后的镍铜合金置于无水乙醇(乙醇质量分数≥99.7％)火焰内焰(400～450℃)中处理10min，然后取出冷却，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镍铜合金，其中碳层厚度平均约为0.75μm。

实施例6

(1)将镀镍螺钉置于体积分数为75％的酒精中以800W的功率超声洗涤15min，室温25℃干燥0.5h备用；

(2)将步骤(1)洗涤干燥后的镀镍螺钉置于无水乙醇(乙醇质量分数≥99.7％)火焰内焰(400～450℃)中处理5min，然后取出冷却，即得到表面附着原位生长的防腐碳层的镀镍螺钉(图4)，其中碳层厚度平均约为0.1μm。

效果实施例

(1)光学显微镜检测

图1是未经处理的镍片和实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片表面在光学显微镜下的形貌图，从图中可以看出：酒精火焰内焰处理10min的镍片表面均匀地覆盖了碳层。

图2是未经处理的镍片和实施例1制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片(C/Ni-10)在0.5M盐酸中浸泡2h后其表面在光学显微镜下的形貌图，从图中可以看出：未经处理的镍片表面在晶界处发生明显的腐蚀，而有防腐碳层防护的C/Ni-10表面几乎没有变化。

(2)动电位极化测试

将实施例1-4制得的表面附着原位生长的防腐碳层的镍片背面焊接铜线后用硅胶封住，仅仅留出1cm

结果显示：未经处理的镍片的腐蚀电流密度为C/Ni-10的10倍，腐蚀速率与腐蚀电流密度成正比，即C/Ni-10的腐蚀速率仅为未经沉碳处理的镍片的1/10，低至0.95mil/a。此外，C/Ni-1、C/Ni-3、C/Ni-5对应的腐蚀速率分别为未经处理的镍片的1/2.8、1/3.8、1/5.8。其中，图3是对应的极化曲线图，从图中可以看出带有防腐碳层防护的样品的腐蚀电位向正向移动，腐蚀电流密度更小。

以上结果说明：随沉积时间的增加，碳层的厚度逐渐增加，防腐蚀效果逐渐增强。

本发明采用火焰法原位生长碳层的工艺中，酒精火焰作为碳源并提供高温环境，镍基金属作为催化剂，催化碳在其表面生长沉积。相比化学气相沉积和离子溅射法制备石墨烯防腐涂层，该火焰法设备简洁，工艺简单，数分钟就可以完成碳防护层的原位生长沉积，并且整个工艺过程仅消耗少量乙醇，除乙醇燃烧生成的二氧化碳和水蒸气外不产生任何其它废弃物。产品中碳层和基体紧密结合，可以有效的隔绝腐蚀介质来达到防腐的效果。

本发明提供的火焰生长碳层的工艺可以在各种复杂结构的镍基金属材料或带有镍基表面镀层的工件表面均匀地生长碳层，进一步增强了镍基金属材料或带有镍基表面镀层的工件的耐腐蚀性能。该工艺节能环保，成本低，效率高，可连续、快速、批量的处理镍基金属或带有镍基表面镀层的工件。在碳层的防护下，镍基金属材料或带有镍基表面镀层的工件在严苛的酸性环境中的腐蚀速率可被降低数十倍，在工业防腐上具有重要的意义

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。