TiO_2薄膜在不锈钢上防腐机理的研究及应用

【摘要】由于金属材料在潮湿环境的影响下存在着腐蚀现象，这不仅造成原材料的大量消耗，而且失去金属材料的功能性。为了解决金属材料的腐蚀问题，本论文主要研究在304SS金属材料上镀TiO2薄膜，从而达到金属材料防腐的目的。TiO2薄膜对304SS的防腐具有双重保护的作用，一方面可在304SS表面形成致密的保护膜，能阻隔304SS与腐蚀介质的直接接触；另一方面，TiO2在紫外光照下会产生电子和空穴，电子通过外电路到达304SS表面，降低304SS的腐蚀电位，减缓了304SS的腐蚀过程，对304SS进行阴极保护。本课题采用磁控溅射法和sol-gel法制备TiO2薄膜，利用XRD和SEM检测TiO2在304SS表面的晶型和表面形貌，研究了温度处理对TiO2的晶型和晶粒尺寸的影响。通过紫外可见漫反射的表征，分析了温度处理对TiO2的禁带宽度的影响。研究了薄膜的厚度和温度处理对TiO2的防腐性能的影响。采用正交设计法设计磁控溅射法制备TiO2薄膜的实验，通过对防腐实验数据的直观分析和方差分析，得出TiO2薄膜具有最佳防腐性能的实验条件。并在该实验条件下制备TiO2薄膜，测得其在暗态下的腐蚀电流密度icorr=2.30×10-8A/cm2，在紫外光照条件下的腐蚀电位负移量为214mV。Sol-gel法制备的TiO2薄膜在暗态条件下的腐蚀电流密度icorr=9.88×10-9A/cm2，在紫外光照下的腐蚀电位负移量为189mV。对磁控溅射法和sol-gel法制备的TiO2薄膜进行比较，发现了在暗态条件下sol-gel法制备的TiO2薄膜的防腐性能较好，在紫外光照条件下磁控溅射法制备的TiO2薄膜的防腐性能较好。为了提高TiO2薄膜对304SS的防腐效果，用Fe、N元素对TiO2进行掺杂和共掺杂的改性。其研究结果表明，Fe掺杂TiO2薄膜可以降低TiO2的禁带宽度和光生载流子复合率；具有较佳防腐性能的1.0%Fe-TiO2-304SS，在紫外光照条件下的腐蚀电位为-358mV，电位负移量为228mV。N掺杂和Fe、N共掺杂可以降低TiO2薄膜的禁带宽度值至2.198eV和2.560eV之间，实现在可见光条件下激发电子。N掺杂TiO2（1N-TiO2-304SS）薄膜在可见光下的腐蚀电位为-388mV，电位负移量为258mV。Fe、N共掺杂TiO2薄膜在可见光下的腐蚀电位为-350mV，电位负移量为230mV；其在紫外光下的腐蚀电位为-490mV，电位负移量为360mV。总之，TiO2薄膜在紫外光条件下和暗态条件下都能够在304SS上达到防腐效果，通过掺杂元素对TiO2薄膜的改性，使掺杂后的TiO2薄膜在304SS上的防腐由紫外光向可见光光区的拓宽，扩大了TiO2薄膜防腐蚀的光谱利用范围，同时提高了提高TiO2薄膜的阴极保护效果。本论文将上述的TiO2薄膜防腐的研究结果应用于不锈钢手术刀的防腐中，解决了TiO2薄膜在金属材料防腐上的实际问题。
【作者】吴震弘；
【导师】汪洋；
【作者基本信息】浙江理工大学，材料物理与化学，2014，硕士
【关键词】304不锈钢；TiO2薄膜；掺杂；光生阴极保护；

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