铁基非晶涂层的海洋微生物腐蚀行为与腐蚀机制研究

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腐蚀是海洋工程材料应用过程中面临的巨大问题,而在金属中超过20%的腐蚀是由微生物造成的,因此微生物腐蚀不容忽视。为了减少工程材料受微生物腐蚀的影响,研发新型抗微生物腐蚀的涂层材料是一项重要课题。铁基非晶涂层是一种兼具优异耐蚀性能与耐磨性能的新型表面涂层材料,在海洋工程领域展现出诱人的应用前景。然而,目前有关铁基非晶涂层的腐蚀行为研究主要集中在常规环境,有关微生物环境下铁基非晶涂层的腐蚀性能与腐蚀机制尚不清楚。本文采用超音速火焰喷涂制备了铁基非晶涂层(Fe43.7Co7.3Cr14.7Mo12.6C15.5B4.3Y1.9),研究了其在海洋细菌环境中微生物腐蚀行为与腐蚀机制。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、荧光显微镜(FM)对涂层与生物膜进行结构分析;通过极化测试、阻抗测试、噪声测试等电化学手段和X射线光电子能谱(XPS)对非晶的微生物腐蚀行为与机理展开研究。在铜绿假单胞菌的培养液中研究了铁基非晶涂层的腐蚀行为与腐蚀机制。循环极化与交流阻抗测试结果表明,铜绿假单胞菌会降低铁基非晶涂层的极化电阻,增加均匀腐蚀速率。电化学噪声测试表明:铜绿假单胞菌导致非晶涂层点蚀形核速率增加1倍。利用恒电位极化与恒频率阻抗测试研究了钝化膜的生长过程,发现铜绿假单胞菌促使非晶涂层表面钝化膜生长不稳定,最终导致钝化膜薄化。XPS表明铜绿假单胞菌加速了非晶涂层钝化膜中金属元素的氧化,导致钝化膜组成由致密的低价金属氧化物转变为高价易溶解的疏松氧化物。同时,生物膜阻碍氧气的传递,致使钝化膜不能修复,从而导致非晶涂层耐腐蚀能力下降。为了提高铁基非晶涂层的抗微生物腐蚀能力,采用了电沉积氧化亚铜,涂覆超疏水材料,涂覆硅酮水凝胶三种方法对非晶涂层进行表面改性。研究发现,超疏水材料和水凝胶层改性后的铁基非晶涂层耐腐蚀能力大幅增强,而采用电沉积氧化亚铜改性的非晶涂层耐腐蚀能力下降。通过平板涂布法对三种样品的抗微生物性能进行表征,发现氧化亚铜改性非晶涂层抗菌率达到100%,水凝胶改性非晶涂层抗菌率也高于99%,均具有很好的抗菌效果,但超疏水表面改性涂层的抗菌率不足1%。因此,综合考虑,水凝胶对铁基非晶涂层进行改性可以达到最佳防腐防污效果。进一步调控非晶涂层的厚度(180μm、360μm)和水凝胶层的厚度(50μm、100μm),组合制备出四种不同厚度的水凝胶/非晶复合涂层。采用动电位极化和阻抗测试评价了非晶复合涂层的耐蚀能力,发现360μm非晶涂层+100μm水凝胶层表现出最高的耐蚀性能。
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