افزایش مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن بوسیله ا عمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با روش سل – ژل
چکیده : پوشش نانوذرات Tio2 به دلیل دارا بودن خواص اپتیکی ، مقاومت به اکسیداسیون ، خوردگی و سایش امروزه به میزان زیادی مورد توجه قرار گرفته است.در این پروژه پوشش نانوذرات Tio2 بوسیله روش سل – ژل تحت فرایند غوطه وری بر روی فولادزنگ نزن ۳۱۶Lاعمال شده است.

ساختارمورفولوژِی و ترکیب پوشش بوسیله XRD,SEM ,AFM مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین خواص خوردگی پوشش در محلول ۳,۵%NACL بوسیله روشهای الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون تافلی و امپدانس ارزیاببی شده است نکته قابل توجه همگن ، یکنواخت و عاری از ترک بودن پوشش است. همچنین پوشش نانوذرات Tio2 اعمال شده روی فولادزنگ نزن ک ۳۱۶L مقاومت به خوردگی را از ۱۳۲,۱۳۵ به ۱۶۴۱۲,۰۹۶ (Kcm2) به میزان تقریبا ۱۲۰ برابر بهبود بخشیده است.

کلمات کلیدی : پوشش نانوذرات Tio2 ، سل – ژل ، فولادزنگ نزن ۳۱۶ ، خواص خوردگی ، پلاریزاسیون تافلی ، امپدانس.
۱- مقدمه :
پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم داریا کاربرد بسیار وسیعی می باشد که عبارتند از: فیلترهای ماوراء بنفش برای صنایع اپتیک و مواد بسته بندی [۱,۲] ، پوشش ضد انعکاس در سلول های خورشیدی ، فتوکاتالیست برای تصفیه آب و هوا، آند در باتری ها ، پوشش های شفاف و خود تمیز کننده برای کاشی ها و شیشه ها ، سنسورهای رطوبت ، سنسورهای گازی ، پوشش های مقاوم در برابر خوردگی و غیره. البته با ایجاد پوشش نانو ساختار تیتانیوم تمام خواص مذکور به میزات قابل توجهی بهبود پیدا می کند .

روشهای مختلفی برای تولید نانوساختار اکسید تیتانیوم وجود دارد. همانند اسپاترینگ ، CVD ، لیزر پالسی و روش سل – ژل . در یان میان روش سل – ژل به دلیل کنترل ترکیب شیمیایی در سطح مولکولی و دمای اعمالی پایین ننسبت به روش های دیگر دارای مزایای ویژه ای است ، علاوه بر آن میکروساختار فیلم مذکور همانند سایز حفره ها و حجم آنها بوسیله تغییر پارامترهای سل – ژل قابل کنترل می باشد.

مهمترین نکته در حفاظت از خوردگی فلزات وابسته به دو نوع فصل مشترک می باشد: ۱- فصل مشترک بین فلز و پوشش ۲- فصل مشترک بین پوشش و محیط. بنابراین کنترل واکنش بین این فصل مشترک ها هنگامی که در حد ملکولی انجام پذیرد ، تاثیر بالایی در حفاظت از خوردگی ایجاد شده توسظ پوشش اعمالی دارد. . در این مقاله پیش ماده آلکوکسیدی ، بدلیل در برداشتن خواص فیزیکی و شیمیایی مانند گروههای هیدروکربنی با طول زنحیره بالا و قابیلت مخلوط شدن در حد ملکولی با حلال های آلی و ایجاد فیلم آری از ترک انتخاب گردیده است.

بدلیل کاربرد بسسیار وسیع ۳۱۶L در صنعت ، پوشش لایه نازک نانوساختار اکسید تیتانیوم به منظور بهبود خواص خوردگی برروی آن اعمال شده است و خواص ساختاری لایه نازک توسط XRD,SEM ,AFM ارزیابی شده است . همچنین منحنی پلاریزاسیون تافلی و امپدانس برای بررسی اثر پوشش های فوق الذکر برروی خواص خوردگی فولادزنگ نزن ۳۱۶L مورد استفاده قرار گرفته است.

روش تحقیق :
۲-۱ سنتز محلول پوشش دهی :
پیش ماده ا ولیه آلکوکسیدی تترا- پوتیل ارتو تیتانات(TBT) همانطور که در مقالات گفته شده است. مطابق زیر در تهیه محلول سل – ژل استفاده می شود.

ابتدا ۵۵ میلی لیتر اتانول و ۵ میلیل لیتر اتیل استو استات(EAcAc) را در دمای اتاق به مدت ۵ دقیقه با هم مخلوط کرده و سپس ۱۳ میلی لیتر TBT را به محلول اضافه کرده و محلول به مدت ۳۰ دقیقه به شدت همزده می شود. ،

بعد از انجام این مراحل به منظور شروع واکنش هیدرولیز درصد کمی آب مقطر بصورت قطره قطره در مدت ۳۰ دقیقه به محلول در حال همزدن اضافه شده است . ، پس از اضافه کردن آب مقطرهمزدن محلول به مدت ۶ ساعت ادامه یافت ، برای انحام واکنشهای پلیمری محلول تیه شده در نهایت به مدت ۶ ساعت پیرسازی می شود. . محلول نهایی دارای رنگ زرد ، شفاف ، و عاری از هرگونه رسوب می باشد. شماتیم مراحل تهیه سل و ا یجاد پوشش در شکل یک نشان داده شده است.

۲-۲ اعمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم :
زمینه مورد استفاده ورق ۳۱۶L با ابعاد ۵۰*۳۰*۲ میلی متر است که بصورت زیر تحت آماده سازی سطحی قرار گرفته است :
۱- سنباده زنی با شماره های ۳۲۰ تا ۳۵۰

۲- پولیش با پودرهای ۰٫۱ تا ۰٫۳ میکرون اکسید آلومینوم
۳- تمیزکردن آلتراسونیکی نمونه در استون و الکل به مدت ۵ دقیقه ، البته بعد از انجام هر مرحله نمونه ها با آب مقطر کاملا شستشو داده شده اند.

بعد از آماده سازی سطحی نمونه ها ، پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بوسیله روش غوطه وری و با سرعت ۱۴۰ میلی متر بر دقیقه داخل محلول فرو برده شده وبه مدت ۱ تا ۵ دقیقه نگه داشته شده سپس نمونه با همان سرعت اولیه ۱۴۰ میلی متر با دقت و بدون کمتیرن لرزش از محلول بیرون آورده شده اند.

بعد از خشک شدن طبیعی در جریان هوای اتاق نمونه ا به مدت ۳۰ دقیقه در دمای ۱۲۰ ددرجه سانتی گراد قرار داده شده اند. این مراحل چندین بار تکرار می شود تا به ضخامت مورد نظر دست یابیم .

در مرحله نهایی به منظور حذف ترکیبات آلی باقیمانده ، نمونه ها به مدت یکساعت در دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفته اند. . قابل ذکر است، سرعت عملیات حرارتی ۱ درجه سانتی گراد بر دقیقه است . این دمای پایین آن یلینگ اجازه می دهد که ترکیبات آلی با حداقل ایجاد تنش و بدون ایجاد ترک در اکسید تیتانیوم از پوشش خارج شوند.

۲-۳ روشهای ارزیابی پوشش ها :
بررسی خواص فازی پوشش بوسیله تفرق اشعه ایکس (XRD) پوشش اکسید تیتانیوم با اشعه Cu Ka radiation که (K=105406 A) از زاویه ۱۰ دتا ۶۰ درجه صورت گرفته است . تصاویر حاصل از SEM , AFM بریا بررسی مورفولوژی ، یکنواختی همگنی و عاری از ترک بودن پوشش موردد استفاده قرار گرفته است.

همچنین توسط تصاویر توپوگرافی AFM و نرم افزار DUALSCOPE ضخامت لایه های پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم اعمال شده بر روی سطح فولادزنگ نزن ۳۱۶L اندازه گیری شده است.
رفتار خوردگی فولادزنگ نزن زنگ نزن ۳۱۶L پوشش داده شده و بدون پوشش توسط منحنی های تافلی و امپدانس در سل شامل سه االکترود کاری ، مرجع ، کمکی و حاوی ۲۵۰mm محلول ۳,۵ درصد NACL با استفاده از پتانسیو استات EG&G ، Instruments inc model 273 و نرم افزار آنالیزگر مورد بررسی قرار گرفته است .

اندازه گیری های تافلی در محدودهد ۲۵۰ میلی ولت نسبت به پتانسیل خوردگی مدار باز با سرعت ۰٫۵ میلی ولت بر ثانیه با استفاده از الکترود مرجع کالومل (sce) و الکترود کمکی پلاتین در دمای اتاق انجام شده است . البته قبل از اندازه گیری خواص الکتروشیمیایی ، نمونه ها به مدت ۳۰ دقیقه در محلول ۳,۵ درص NACL به منظور پایدارشدن نگه داتری شده اند.

۴- نتایج و تحلیل نتایج:
پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم کاملا شفاف و دارای همگنی و یکنواختی بالایی است و هیچ تاثیری بر روی کیفیت ظاهری سطح زمینه ندارد. این پوشش دارای چسبندگی خوب و ضخامت نانومتری می باشد که تحت سیکل عملیات حرارتی مناسب بر روی سطح ۳۱۶ L اعمال شده است.

۳-۱ : بررسی خواص پوشش:
منحنس XRD پوشش اکسید تیتانیوم نشان داده شده در شکل ۲ نشان دهنده حضور فازهای اکسید تیتانیوم در دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد است. همانطور که دیده می شود اکسید تیتانیوم شامل دو فاز آناتال و روتیل در دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد است، و مطابق با مقالات ارائه شده در این زمینه دارای بیشترین مقدار فاز آناتاز در این دماست.

از طرفی بدلیل اینکه فاز آناتاز دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب و همچنین پایداری در دماهای پایین تر نسبت به فاز روتیل می باشد ، به عنوان فاز اصلی پوشش و دمای ۵۵۰ درجه سانتی گراد بعنوان دمای حرارتی نهایی انتخاب گردیده است. در شکل ۲ پیک های مربوط به زوایای ۲۵,۳ و ۴۷,۴ نشان دهنده فاز آناتاز اکسید تیتانیوم اعمال شده بر روی سطح ۳۱۶L است .

شکل ۳ نشان دهنده عکس SEM پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم بر روی سطح ۳۱۶L در بزرگنمایی ۶۰۰۰۰ است بدلیل کوچک بودن ذرات اکسید تیتانیوم تصویر سطح را کاملا صاف و همگن نشان داده است. و عکس مزبور با مقالات ارائه شده در این زمینه کاملا همخوانی دارد. به منظور بررسی دقیق تر سطح می توان با استفاده از میکروسکوپ AFM توپوگرافی و ساختار سطحی را مورد بررسی قرار داد.

در شکل ۴ همگنی و یکنواختی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بر روی سطح فولادزنگ نزن ۳۱۶L به خوبی در تصویر AFM قابل مشاهده است .