铈离子含量对镁合金表面ZnAlCe-LDHs薄膜制备的影响研究★

2020-09-17王晓鸽

山西冶金 2020年4期

王晓鸽

（1.山西工程职业学院，山西太原030009；2.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

尽管镁合金具有高的比强度和比刚度等优良性能，是目前工程应用中最轻的金属结构材料，但化学性质活泼，耐腐蚀性差[1-4]。从研究镁合金开始，镁合金的防腐蚀问题一直是镁合金研究的一个重要课题。近年来，水滑石类化合物制备工艺简单、无毒且能量消耗少，其特殊的层状结构和组成使其具备了主题层板和插层客体的许多优点，在防腐蚀领域展现出一定的应用前景[5]。Katsutoshi[6]和王吉会[7]等研究者发现元素Ce在表面薄膜制备中具有缓蚀和增强自修复能力的作用。本研究采用水热法在镁合金AZ91D表面制备了ZnAlCe-LDHs薄膜，并考察了Ce3+含量对ZnAlCe-LDHs薄膜制备的影响作用。

1 实验

1.1 实验试剂

本实验中采用的实验试剂有：NaOH，NaCO3，无水乙醇，乙酸锌、乙酸铝和丙酮，且均为分析纯，由国药集团化学试剂公司生产。实验材料为AZ91D镁合金，具体成分见表1。

表1 AZ91D镁合金化学成分 %

1.2 实验仪器

实验过程中主要使用的仪器有：笔型pH计（型号AZ8685，由衡欣科技股份有限公司生产）；实验室数显恒温加热水浴锅（型号DF-101S，上海力辰邦西仪器科技有限公司生产）；高温高压釜（型号KH-50，振和科学仪器有限公司生产）。

1.3 实验方法

首先通过线切割机将试样加工成10 mm×10 mm×3 mm的样品，采用热镶法，留出一个表面用于制备薄膜，然后对保留的表面用水砂纸由粗150号到细依次打磨至2 000放入无水乙醇超声清洗15 min后，用吹风机冷风吹干待用。将0.1 mol乙酸锌、0.025 mol乙酸铝、0.025 mol乙酸铈和0.05 mol碳酸钠共溶解在100 mL pH为7的去离子水中，保证n（Zn2+）/n（（Al3++Ce3+））摩尔比为2.0，且总离子摩尔数为0.2 mol，分别配制n（Ce3+）/n（Al3+）摩尔比分别为2∶1、3∶1和4∶1的溶液进行对比实验，分别标记为试样1、试样2和试样3，通过添加2 mol NaOH使各试样溶液pH保持在10～11左右，实验温度65℃，水热反应时间8 h，反应结束后，取出试样用丙酮清洗干净，热风吹干备用。采用配有能谱的场发射扫描电镜进行薄膜形貌与元素成分的分析。

2 实验结果与分析

2.1 试样1的SEM微观形貌图和EDS能谱分析结果

下页图1显示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=2∶1时镁合金表面膜层的SEM形貌和EDS能谱分析。从图1-1中可以看出在镁合金表面生成棒状花型结构，且比较不均匀地分布，在此结构上做EDS能谱（如图1-3）发现只有Zn、C、O三种元素，没有Al和Ce元素，说明当n（Ce3+）与n（Al3+）比例为2∶1时，未在AZ91D镁合金表面生成ZnAlCe-LDHs薄膜。Zhou等[8]研究中发现，当反应溶液pH值高于11时，薄膜材料会生成棒状结构，且元素符合氧化锌的组成，如图1-4所示，故镁合金表面生成的棒状花型结构化学成分是ZnO。

图1 n（Ce3+）/n（Al3+）=2∶1时镁合金表面膜层的SEM形貌和EDS能谱分析

2.2 试样2的SEM微观形貌图和EDS能谱分析结果

图2显示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=3∶1时镁合金表面膜层的SEM形貌和EDS能谱分析。从图2-1中可以看出镁合金表面膜层出现分层结构，将上部放大得到2-2图，呈现片层网状结构，此结构与Liu等

[9]研究中所得到的形貌相一致。故上层应该是镁合金表面制备所获得ZnAlCe-LDHs薄膜，能谱分析中也显示该结构中含Zn、Al、Ce、O、H元素，如图2-4所示。底部放大得到2-3图，此结构呈现孔洞网状结构，与上部结构与成分并不相同，从能谱分析图中发现该结构上并不含有Al、Ce元素，Mg、C元素反而很多，这说明在镁合金表面可能在水热反应期间发生了其他反应，具体反应原理还需进一步研究。

图2 n（Ce3+）/n（Al3+）=3∶1时镁合金表面膜层的SEM形貌和EDS能谱分析

2.3 试样3的SEM微观形貌图和EDS能谱分析结果

图3显示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=4：1时镁合金表面膜层的SEM形貌和EDS能谱分析。从图3-1可以看出镁合金表面膜层非常致密，并表现出鸟巢状的维/纳复合结构，这种维/纳复合结构相互穿插并垂直于基体表面生长形成，能谱分析中也显示该结构中含Zn、Al、Ce、O、Mg元素，这说明该比例条件下生成的ZnAlCe-LDHs薄膜最完整，此外镁合金表面生成的是这种维/纳片层状内部可以储存更多空气，为制备超疏水表面提供了有利条件。