بخشی از مقاله
چکیده: پوشش کامپوزیتی گرافن بهطور قابلتوجهی افزایش مقاومت فلز مس را به تخریب الکتروشیمیایی درپی خواهد داشت و نشان میدهد که مقاومت فلز به تخریب الکتروشیمیایی به میزان 1/5 برابر افزایش مییابد. میکروسکوپ الکترونی روبشی - - SEM و طیفسنجی رامان و مطالعات اشعه ایکس - XRD - نشان میدهد که سطح فلز بهخوبی از اکسیداسیون حتی پس از گرم شدن در 200 درجه سانتیگراد در هوا تا 4 ساعت محافظت میکند. گرافن اکساید - GO - با استفاده از روش هامر - Hummers - از پودر گرافیت تشکیلشده است. گرافن اکساید توسط سانتیفیوژ، از سوسپانسیون اکسید گرافیت واب به دست میآید. ضخامت ورقه گرافن اکساید در محدود 1-2 نانومتر توسط میکروسکوپ نیروی اتمی - AFM - تعیینشده است. پوشش گرافن اکساید بر روی مس از طریق رسوبدهی الکتروفورتیک - EPD - از سوسپانسیون گرافن اکساید/آب با ساخت نوارهای مس بهعنوان آند رسوب میکند. در شرایط مطلوب رسوبدهی الکتروفورتیک ضخامت پوشش حدود 40 نانومتر در پتانسیل 5 ولت و زمان رسوب 30 ثانیه است. انتظار میرود که تکنیک رسوبدهی الکتروفورتیک، برای تولید پوشش کامپوزیتی گرافنی راه جدیدی را برای صنعت مهندسی دریایی که در آن مقاومت در برابر آبشور اهمیت دارد باز کند.در این مقاله بر تحقیقات و گزارشات محققان مروری خواهیم داشت.
واژههای کلیدی: گرافن اکساید، پوشش مس، مقاومت به خوردگی، رسوبدهی الکتروفورتیک
-1مقدمه
مس جدا از کارایی مکانیکی به دلیل هدایت گرمایی و حرارتی عالی خود پرکاربردترین ماده است.[1] بااینحال، کاربردهای مس به دلیل ماهیت شیمیایی محدودشده است. اکسیداسیون مس یک مشکل جدی در میکروالکترونیک، نانو الکترومغناطیس و غیره بهحساب میآید. مشکل دیگر، تماس مس با محیط یون کلرید است. یون کلرید برای مس بسیار تهاجمی است، حتی میتواند باعث خوردگی شدید شود.[2]
امروزه حفاظت از سطح فلزات به یک صنعت تبدیلشده است که از روشهای مختلفی استفاده میشود ازجمله پوششهای آلی[3-5]، رنگها ولاک ها[6]، پلیمر[7] ، تشکیل لایه اکسیدی[8]، اصلاح شیمیایی[9] و پوشش فلزات دیگر با آلیاژهای دیگر.[10] بااینحال بسیاری از این تکنیکها دارای خواص ذاتی مانند ضخامت پوشش بالا، تغییر خواص اپتیک، تضعیف هدایت حرارتی و الکتریکی میباشند.[11] انتظار میرود که با ایجاد پوشش محافظتی با کمترین تغییر در خواص فیزیکی سطح فلز، مشکلات بالا رفع شود.[11]
اخراًی پوششهایی بر پایه گرافن و گرافن اکساید، بهعنوان پوشش ضد خوردگی برای فلزات استفاده میشود[11-15] بهعنوانمثال لایههای گرافنی که بر روی فولاد[16-17]، نیکل[11,18] و پوششهای کامپوزیتی فلزی مانند گرافن-کروم[19] و گرافن-قلع [20]که همگی از گرافن برای پوشش ضد خوردگی استفاده کردهاند.
گرافن ورقهای دوبعدی از اتمهای کربن در یک پیکربندی ششضلعی - لانهزنبوری - است که در آن اتمهای کربن با هیبرید SP2 به هم متصل شدهاند[21] .گرافن شامل چگالی بالای جریان، حملونقل بالستیک، بیاثر بودن شیمیایی، هدایت حرارتی بالا، عبور نوری و آبگریزی فوقالعاده در مقیاس نانو است؛ که گرافن را بهعنوان پوشش محافظتی فوقالعاده بهخصوص از فلزات از تخریب در محیط دریایی شور مطرح میکند.[22]
گرافن بهعنوان یک مانع اکسیداسیون به سطح فلز خالص و غیر اکسید عمل میکند. این لایه حفاظتی یک سطح فلز را حفظ میکند که این نوع جدید از سطح که در آن فلز غیر اکسیدشده فقط یک اتم دور از سطح است، میتواند راه را برای کاربردهای حسگر جدید و برداشت انرژی باز کند.[23-24]
گرافن یا گرافن اکساید در یک ماتریس مناسب فلزی میتواند پوشش کامپوزیتینسبتاً پایداری را برای کاربردهای مهندسی طولانیمدت تولید کند. بااینحال پراکندگی محدود ناشی از گرافن در آب میتواند پوشش کامپوزیتی فلزی گرافن یکنواخت را بهشدت محدود سازد.[25] اکسیدگرافنی هیدروفیلی کهاساساً گرافن ورقه تزیینشده با چندین گروه عاملی اکسیدان شده - هیدروکسیل، اپوکسی، کربن و غیره - دارای قابلیت پخش بسیار زیادی در آب است و آنها را برای پوششهای یکنواخت در مقیاس بزرگ مناسب میکند.[25]
پونک4 و همکاران نشان دادند که غشای گرافنی میتواند در مقابل گازهای استاندارد ازجمله هلیم نفوذناپذیر باشد. محققان تلاش کردند پوششهای گرافن را بر روی سطح فلزی ایجاد کنند[11,26-29] اما اکثریت آنها از رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار5 برای رشد یکنواخت و چندلایه گرافن باکیفیت بالا بر روی زمینههای مختلف فلزی، ازجمله رشد تک لایه گرافن بر روی مس[24,30]، پلاتین[31] و ایریدیوم[32] و رشد چندلایه بر نیکل[33,34] و رادیوم[35] استفاده میکردند.
رامان6 همکاران پوشش گرافنی روی مس با استفاده از رسوبدهی شیمیایی از بخار انجام داد و گزارش داد که امپدانس فلز با تخریب الکتروشیمیایی افزایش مییابد، درحالیکه تراکم جریان آند و کاتد یک مس با پوشش گرافنی کاهش مییابد.[26] پراسای7 و همکارانش برای پوشش دادن گرافن بر روی مس از رشد رسوبدهی از فاز بخار استفاده کرد و گزارش داد که مقاومت خوردگی مس با پوشش گرافنی افزایش قابلتوجهی مییابد.[27] چن8 و همکارانش آمادهسازی پوشش گرافنی بهعنوان یکلایه غیرفعال توسط رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار برای جلوگیری از اکسیداسیون آلیاژ مس در هوا را گزارش کرد و مقاومت شیمیایی حدود 30 را در هیدروژن پر اکسید نشان داد.[11] کیرکلند 9 استفاده از یک مایع پوشش دادهشده گرافنی بهعنوان یک مقاومت خوردگی و کاهش سرعت واکنش کاتدی در محلول یون کلرید گزارش کرده است.[28]
ژانگ10مواد کامپوزیتی جدید گرافنی را با ترکیب نانو ذرات معدنی به ماتریسهای پلیمری برای محافظت از تیغههای توربو کامپوزیتی با مقاومت الکتریکی در برابر تخریب و خوردگی اشعه ماورا بنفش توسعه داده است.[29] کریشناموری11و همکارانش استفاده از گرافن را بهعنوان یکلایه منفعل برای ارائه مقاومت در برابر خوردگی گالوانیزه به مدت حدود 2700 ساعت گزارش داد.[12]
پراسای و همکاران گزارش دادند که فیلمهای گرافن چندلایه نرخ خوردگی کندتری نسبت به فیلمهای بدون پوشش دارد.[27] رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار بک فرآیند درجه بالا است و دمای رشد آنمعمولاً از 650 تا 1000 درجه سانتیگراد بسته به منبع کربن و ماهیت ماده متفاوت است، نیاز به خلأ دارد و در اندازه نمونه محدودیت دارد.[11,36-37] این تحقیقات علیرغم اینکه نشان میدهد پوشش گرافن مبتنی بر رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار باعث کاهش خوردگی میشود، نشان میدهد که پوشش گرافنی مبتنی بر رسوبدهی شیمیایی دارای نقص است و ممکن است برای بهرهبرداری تجاری مؤثر نباشد. علاوه بر این دمای بالای موردنیاز برای رسوبدهی فلزات ممکن است موثرباشد. رسوبدهی گرافن از سوسپانسیون کلوئیدی با استفاده از روش الکتروفورتیک12یک روش جایگزین و امیدوارکننده است. برخلاف رسوبدهی شیمیایی از فاز بخار، رسوبدهی الکتروفورتیک ویژگیها و خواص پیوسته یک فلز را به علت رسوبدهی در دمای اتاق دارا میباشد. همچنین کنترل بهتر ضخامت پوشش و میزان رسوب بالا را بدون کمک یا کاتالیزور انجام میدهد.[38] رسوب مستقیم گرافن خالص بر روی فلزات با استفاده از روش رسوبدهی الکتروفورتیک به علت پراکندگی ضعیف آن در محلولهای آبی و غیرآبی امکانپذیر نیست.[28] از سویی دیگر، رسوب گرافن اکساید از سوسپانسیونهای آبی یک جایگزین مناسب برای رسوبدهی با توجه به تعداد زیادی از گروههای عاملی - هیدروکسیل، اپوکسی، کربونیل و کربوکسیل - است و یکلایه یا چندلایه گرافن را میتوان بهراحتی از محیطهای آبی با اولتراسونیک کردن اکسیدگرافن در آب یا حلالها به دست آورد.[39-40] ونتینگ13و همکاران ضخامت گرافن اکساید بر روی آهنربا NaFeB توسط رسوب الکتروفورتیک رسوب دادند و دریافتند که گرافن اکساید بهعنوان بازدارنده خوردگی در 0.6 مولار NaCl عمل میکند.[41]
انگیزهها برای این کار بر اساس توان پوششهای گرافنی برای جلوگیری از نفوذ گازهای اکسیدکننده و محلولهای مضر است که انتظار میرود اکسیداسیون را متوقف کند و عمر مفید را بدون هیچگونه تأثیری بر خواص فیزیکی فلز مس، افزایش دهد و نرخ خوردگی 10 برابری مس با پوشش گرافنی نسبت به مس بدون پوشش سطحی شامل میشود.
-2آمادهسازی پوشش گرافن بر سطح مس
برای سنتز گرافن اکسید همه محققان از روش اصلاحشده هومر14ولی با مقادیر مختلف استفاده می کنند که یک مورد به اختصار توضیح داده شده است.
2؛.1 سنتز گرافن
در این روش، پودر گرافیت بهعنوان ماده اولیهی تولید گرافن اکسید مورداستفاده قرار گرفت. در ابتدا 2 گرم گرافیت - mesh500 - و 50 میلیلیتر اسیدسولفوریک - H2So4 - غلیظ در یک بشر 250 میلیلیتری ریخته و هم زده میشود. سپس 2 گرم نیترات سدیم - - NaNo3 به آن اضافه و پس از یک ساعت هم زدن در حمام آب-یخ، دمای آن به صفر درجه سانتیگراد کاهش مییابد. پسازآن 7/3 گرم پرمنگنات پتاسیم بهتدریج و به مدت 2 ساعت به آن اضافه میشود. بعد از افزودن کامل پرمنگنات پتاسیم، دمای مخلوط واکنش تا 35 درجه سانتیگراد افزایش دادهشده و سپس به مدت 2 ساعت در این دما هم زده میشود. 46 میلیلیتر آب دو بار تقطیر به ظرف واکنش افزودهشده و سپس در دمای 90 درجه سانتیگراد و به مدت 30 دقیقه هم زده میشود. واکنش با اضافه کردن 140 میلیلیتر آب دو بار تقطیر و 16 میلیلیتر آباکسیژنه %30، متوقف میشود. برای تولید گرافن اکسید تک لایه، سوسپانسیون حاصل در کیلوهرتز 35 و به مدت 30 دقیقه اولتراسونیک میشود. گرافن اکسید تولیدشده با محلول HCl 3%در آب، 4-3 بار شستشو داده شد و با کمک قیف بوخنر صاف میگردید. در مرحله بعد سوسپانسیون حاصل 4-3 بار با آب مقطر دو بار تقطیر شستشو داده میشود. لازم به ذکر است سوسپانسیون بهدستآمده پس از هر بار شستشو، با روش فیلتراسیون صاف میشود. درنهایت ماده جامد قهوهایرنگ حاصل به مدت 24 ساعت در آون خلأ با دمای 40 درجه سانتیگراد قرار میگیرد و خشک میشود.
2؛.2 آمادهسازی برای رسوبدهی الکتروفورتیک نوارهای مس خالص - - 99 با ابعاد 0,06×2×4 - سانتیمتر - بهوسیله کاغذهای چسبنده سیلیکون کاربید - محدوده اندازه - 1000-180 برای به دست آوردن زبری یکنواخت و حذف لایه اکسیدی روی سطح مورداستفاده قرارمی گیرد. پس از سنگزنی نوارهای مس با استفاده استون به مدت 5 دقیقه برای حذف آلودگی و بعدازآن توسط آب مقطر شسته میشوند.
2؛.3 رسوبدهی الکتروفورتیک روی مس
پودر اکسید گرافیت بین کریستالی در غلظتهای مختلف - mg/ml1,2,3 - در آب مقطر پراکنده میشود. سوسپانسیون اکسید گرافیت/آب به مدت 2 ساعت در دمای 40 درجه سانتیگراد اولتراسونیک میشود. برای به دست آوردن واکنش یکنواخت پراکنده از اکسیدگرافن در طول اولتراسونیک، اکسید گرافیت به شکل اکسید گرافن ورقه میشود. برای رسوبدهی الکتروفورتیک نوارهای مس پوشش دادهشده بهعنوان کاتد و فلز مس بهعنوان آند شناخته میشود. این دو الکترود در سوسپانسیون گرافن اکساید غوطهور و فاصله بین 2 الکترود حدود 3 سانتیمتر و الکترودها به منبع تغذیه
