1. Préparation du revêtement
Afin de faciliter les tests électrochimiques ultérieurs, un substrat en acier inoxydable 304 de 30 mm × 4 mm a été sélectionné. Après polissage et élimination de la couche d'oxyde résiduelle et des points de rouille à la surface du substrat à l'aide de papier de verre, ce dernier a été plongé dans un bécher contenant de l'acétone. Les taches présentes à la surface du substrat ont ensuite été traitées pendant 20 minutes avec un nettoyeur à ultrasons BG-06C (Bangjie Electronics). Les résidus d'usure ont été éliminés à l'aide d'alcool et d'eau distillée, puis le substrat a été séché à l'air comprimé. Enfin, de l'alumine (Al₂O₃), du graphène et des nanotubes de carbone hybrides (MWNT-COOHSDBS) ont été préparés dans les proportions suivantes : 100:0:0, 99,8:0,2:0, 99,8:0:0,2 et 99,6:0,2:0,2. Ces composants ont été broyés et mélangés à l'aide d'un broyeur à billes (QM-3SP2, Nanjing NANDA Instrument Factory). La vitesse de rotation du broyeur à boulets a été réglée à 220 tr/min, et le broyeur à boulets a été mis en marche pour
Après le broyage à billes, la vitesse de rotation de la cuve est divisée par deux, puis alternée. Les granulats céramiques broyés et le liant sont mélangés uniformément selon une proportion massique de 1,0:0,8. Enfin, le revêtement céramique adhésif est obtenu par polymérisation.
2. Essai de corrosion
Dans cette étude, le test de corrosion électrochimique est réalisé à l'aide d'un système électrochimique Shanghai Chenhua chi660e, selon une configuration à trois électrodes. L'électrode auxiliaire est en platine, l'électrode de référence en chlorure d'argent et l'échantillon revêtu constitue l'électrode de travail, avec une surface d'exposition effective de 1 cm². Les électrodes (de référence, de travail et auxiliaire) sont connectées à l'instrument dans la cellule électrolytique, comme illustré sur les figures 1 et 2. Avant le test, l'échantillon est immergé dans une solution électrolytique de NaCl à 3,5 %.
3. Analyse de Tafel de la corrosion électrochimique des revêtements
La figure 3 présente la courbe de Tafel du substrat non revêtu et du revêtement céramique recouvert de différents nano-additifs après une corrosion électrochimique de 19 h. Les données relatives à la tension de corrosion, à la densité de courant de corrosion et à l'impédance électrique obtenues lors du test de corrosion électrochimique sont présentées dans le tableau 1.
Soumettre
Lorsque la densité de courant de corrosion est plus faible et l'efficacité de résistance à la corrosion plus élevée, l'effet protecteur du revêtement est meilleur. On observe sur la figure 3 et dans le tableau 1 qu'après 19 h de corrosion, la tension de corrosion maximale de la matrice métallique nue est de -0,680 V et la densité de courant de corrosion de la matrice est également maximale, atteignant 2,890 × 10⁻⁶ A/cm². Avec un revêtement céramique d'alumine pure, la densité de courant de corrosion diminue de 78 % et l'efficacité de résistance à la corrosion (PE) est de 22,01 %. Ceci démontre que le revêtement céramique offre une meilleure protection et améliore la résistance à la corrosion en milieu électrolytique neutre.
L'ajout de 0,2 % de mwnt-cooh-sdbs ou de 0,2 % de graphène au revêtement a permis de réduire la densité de courant de corrosion, d'augmenter la résistance et d'améliorer encore la résistance à la corrosion du revêtement, avec des efficacités de protection (PE) respectives de 38,48 % et 40,10 %. Lorsqu'une surface est revêtue d'un mélange d'alumine contenant 0,2 % de mwnt-cooh-sdbs et 0,2 % de graphène, le courant de corrosion est encore réduit de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² à 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², la valeur maximale de la résistance passe de 11 388 Ω à 28 079 Ω et l'efficacité de protection du revêtement atteint 46,85 %. Ces résultats démontrent que le produit obtenu présente une bonne résistance à la corrosion et que l'effet synergique des nanotubes de carbone et du graphène améliore efficacement la résistance à la corrosion du revêtement céramique.
4. Effet du temps de trempage sur l'impédance du revêtement
Afin d'explorer plus en détail la résistance à la corrosion du revêtement, en tenant compte de l'influence du temps d'immersion de l'échantillon dans l'électrolyte sur le test, les courbes de variation de la résistance des quatre revêtements à différents temps d'immersion sont obtenues, comme le montre la figure 4.
Soumettre
Lors de la phase initiale d'immersion (10 h), la bonne densité et la structure du revêtement rendent difficile l'immersion de l'électrolyte. À ce stade, le revêtement céramique présente une résistance élevée. Après une immersion prolongée, la résistance diminue significativement car, avec le temps, l'électrolyte forme progressivement des canaux de corrosion à travers les pores et les fissures du revêtement et pénètre dans la matrice, entraînant une baisse importante de sa résistance.
Dans une seconde étape, lorsque la quantité de produits de corrosion atteint un certain seuil, la diffusion est bloquée et l'espace se bouche progressivement. Simultanément, lorsque l'électrolyte pénètre à l'interface de liaison entre la couche inférieure et la matrice, les molécules d'eau réagissent avec le fer de la matrice à la jonction revêtement/matrice pour former un mince film d'oxyde métallique. Ce film entrave la pénétration de l'électrolyte dans la matrice et augmente la résistance. Lors de la corrosion électrochimique de la matrice métallique nue, la majeure partie du précipité floconneux vert se forme au fond de l'électrolyte. L'électrolyse de l'échantillon revêtu n'a pas modifié la couleur de la solution, ce qui confirme l'existence de la réaction chimique décrite ci-dessus.
En raison du temps d'immersion court et des nombreuses influences externes, les courbes de Tafel à 19 h et 19,5 h ont été analysées afin d'obtenir une relation précise entre les paramètres électrochimiques. La densité de courant de corrosion et la résistance, obtenues par le logiciel d'analyse zsimpwin, sont présentées dans le tableau 2. On constate qu'après 19 h d'immersion, la densité de courant de corrosion de l'alumine pure et du revêtement composite d'alumine contenant des nanoparticules est plus faible, tandis que la résistance est plus élevée, comparativement au substrat nu. La résistance du revêtement céramique contenant des nanotubes de carbone et celle du revêtement contenant du graphène sont quasiment identiques, mais la structure du revêtement composite nanotubes de carbone/graphène est nettement améliorée. Ceci s'explique par l'effet synergique des nanotubes de carbone unidimensionnels et du graphène bidimensionnel, qui améliore la résistance à la corrosion du matériau.
Avec l'augmentation du temps d'immersion (19,5 h), la résistance du substrat nu augmente, indiquant qu'il se trouve dans la seconde phase de corrosion et qu'un film d'oxyde métallique se forme à sa surface. De même, la résistance du revêtement céramique d'alumine pure augmente également avec le temps, ce qui indique qu'à ce stade, malgré l'effet ralentisseur du revêtement, l'électrolyte a pénétré l'interface revêtement/matrice et formé un film d'oxyde par réaction chimique.
Comparativement au revêtement d'alumine contenant 0,2 % de MWNT-COOH-SDBS, le revêtement d'alumine contenant 0,2 % de graphène et le revêtement d'alumine contenant 0,2 % de MWNT-COOH-SDBS et 0,2 % de graphène, la résistance du revêtement a diminué significativement avec le temps, respectivement de 22,94 %, 25,60 % et 9,61 %. Ceci indique que l'électrolyte ne pénètre pas à l'interface entre le revêtement et le substrat. En effet, la structure des nanotubes de carbone et du graphène bloque la pénétration de l'électrolyte, protégeant ainsi la matrice. L'effet synergique des deux est ainsi confirmé. Le revêtement contenant ces deux nanomatériaux présente une meilleure résistance à la corrosion.
L'analyse de la courbe de Tafel et de la courbe d'évolution de l'impédance électrique a permis de constater que le revêtement céramique d'alumine contenant du graphène, des nanotubes de carbone et leur mélange améliore la résistance à la corrosion de la matrice métallique. L'effet synergique de ces deux composants renforce encore davantage la résistance à la corrosion du revêtement céramique adhésif. Afin d'étudier plus en détail l'influence des nano-additifs sur la résistance à la corrosion du revêtement, la morphologie de surface de ce dernier après corrosion a été analysée.
Soumettre
La figure 5 (A1, A2, B1, B2) présente la morphologie de surface de l'acier inoxydable 304 exposé et du revêtement en céramique d'alumine pure à différents grossissements après corrosion. La figure 5 (A2) montre que la surface devient rugueuse après corrosion. Sur le substrat nu, plusieurs piqûres de corrosion importantes apparaissent après immersion dans l'électrolyte, indiquant une faible résistance à la corrosion de la matrice métallique et une pénétration aisée de l'électrolyte. Concernant le revêtement en céramique d'alumine pure, comme illustré sur la figure 5 (B2), malgré la formation de canaux de corrosion poreux, la structure relativement dense et l'excellente résistance à la corrosion du revêtement bloquent efficacement la pénétration de l'électrolyte, ce qui explique l'amélioration significative de l'impédance du revêtement.
Soumettre
Morphologie de surface des revêtements mwnt-cooh-sdbs, contenant 0,2 % de graphène et contenant 0,2 % de mwnt-cooh-sdbs et 0,2 % de graphène. On observe que les deux revêtements contenant du graphène (Figure 6, B2 et C2) présentent une structure plane, une forte liaison entre les particules et un enrobage adhésif dense. Malgré l'érosion de la surface par l'électrolyte, la formation de canaux poreux est réduite. Après corrosion, la surface du revêtement est dense et présente peu de défauts. Concernant les revêtements (Figure 6, A1 et A2), du fait des caractéristiques du mwnt-cooh-sdbs, la structure poreuse du revêtement avant corrosion est uniformément répartie. Après corrosion, les pores s'amincissent et s'allongent, et les canaux s'approfondissent. Comparée aux revêtements (Figure 6, B2 et C2), la structure présente davantage de défauts, ce qui concorde avec la distribution granulométrique de l'impédance du revêtement obtenue par test de corrosion électrochimique. Cela montre que le revêtement céramique d'alumine contenant du graphène, et plus particulièrement le mélange de graphène et de nanotubes de carbone, présente la meilleure résistance à la corrosion. Ceci s'explique par le fait que la structure des nanotubes de carbone et du graphène bloque efficacement la propagation des fissures et protège la matrice.
5. Discussion et résumé
L’étude de la résistance à la corrosion des nanotubes de carbone et des additifs de graphène sur un revêtement céramique d’alumine, ainsi que l’analyse de la microstructure de surface de ce revêtement, ont permis de tirer les conclusions suivantes :
(1) Après 19 h de corrosion, l'ajout d'un revêtement céramique d'alumine composé de 0,2 % de nanotubes de carbone hybrides et de 0,2 % de graphène a permis de réduire la densité de courant de corrosion de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² à 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², d'augmenter l'impédance électrique de 11 388 Ω à 28 079 Ω et d'obtenir une efficacité de résistance à la corrosion maximale de 46,85 %. Comparé à un revêtement céramique d'alumine pure, le revêtement composite à base de graphène et de nanotubes de carbone présente une meilleure résistance à la corrosion.
(2) Avec l'augmentation du temps d'immersion de l'électrolyte, celui-ci pénètre à l'interface revêtement/substrat et forme un film d'oxyde métallique, ce qui entrave sa pénétration dans le substrat. L'impédance électrique diminue d'abord, puis augmente, et la résistance à la corrosion du revêtement en céramique d'alumine pure est faible. La structure et la synergie des nanotubes de carbone et du graphène bloquent la pénétration de l'électrolyte. Après 19,5 h d'immersion, l'impédance électrique du revêtement contenant des nanomatériaux diminue respectivement de 22,94 %, 25,60 % et 9,61 %, et sa résistance à la corrosion est bonne.
6. Mécanisme d'influence de la résistance à la corrosion du revêtement
L'analyse de la courbe de Tafel et de la courbe d'évolution de l'impédance électrique a permis de constater que le revêtement céramique d'alumine contenant du graphène, des nanotubes de carbone et leur mélange améliore la résistance à la corrosion de la matrice métallique. L'effet synergique de ces deux composants renforce encore davantage la résistance à la corrosion du revêtement céramique adhésif. Afin d'étudier plus en détail l'influence des nano-additifs sur la résistance à la corrosion du revêtement, la morphologie de surface de ce dernier après corrosion a été analysée.
La figure 5 (A1, A2, B1, B2) présente la morphologie de surface de l'acier inoxydable 304 exposé et du revêtement en céramique d'alumine pure à différents grossissements après corrosion. La figure 5 (A2) montre que la surface devient rugueuse après corrosion. Sur le substrat nu, plusieurs piqûres de corrosion importantes apparaissent après immersion dans l'électrolyte, indiquant une faible résistance à la corrosion de la matrice métallique et une pénétration aisée de l'électrolyte. Concernant le revêtement en céramique d'alumine pure, comme illustré sur la figure 5 (B2), malgré la formation de canaux de corrosion poreux, la structure relativement dense et l'excellente résistance à la corrosion du revêtement bloquent efficacement la pénétration de l'électrolyte, ce qui explique l'amélioration significative de l'impédance du revêtement.
Morphologie de surface des revêtements mwnt-cooh-sdbs, contenant 0,2 % de graphène et contenant 0,2 % de mwnt-cooh-sdbs et 0,2 % de graphène. On observe que les deux revêtements contenant du graphène (Figure 6, B2 et C2) présentent une structure plane, une forte liaison entre les particules et un enrobage adhésif dense. Malgré l'érosion de la surface par l'électrolyte, la formation de canaux poreux est réduite. Après corrosion, la surface du revêtement est dense et présente peu de défauts. Concernant les revêtements (Figure 6, A1 et A2), du fait des caractéristiques du mwnt-cooh-sdbs, la structure poreuse du revêtement avant corrosion est uniformément répartie. Après corrosion, les pores s'amincissent et s'allongent, et les canaux s'approfondissent. Comparée aux revêtements (Figure 6, B2 et C2), la structure présente davantage de défauts, ce qui concorde avec la distribution granulométrique de l'impédance du revêtement obtenue par test de corrosion électrochimique. Cela montre que le revêtement céramique d'alumine contenant du graphène, et plus particulièrement le mélange de graphène et de nanotubes de carbone, présente la meilleure résistance à la corrosion. Ceci s'explique par le fait que la structure des nanotubes de carbone et du graphène bloque efficacement la propagation des fissures et protège la matrice.
7. Discussion et résumé
L’étude de la résistance à la corrosion des nanotubes de carbone et des additifs de graphène sur un revêtement céramique d’alumine, ainsi que l’analyse de la microstructure de surface de ce revêtement, ont permis de tirer les conclusions suivantes :
(1) Après 19 h de corrosion, l'ajout d'un revêtement céramique d'alumine composé de 0,2 % de nanotubes de carbone hybrides et de 0,2 % de graphène a permis de réduire la densité de courant de corrosion de 2,890 × 10⁻⁶ A/cm² à 1,536 × 10⁻⁶ A/cm², d'augmenter l'impédance électrique de 11 388 Ω à 28 079 Ω et d'obtenir une efficacité de résistance à la corrosion maximale de 46,85 %. Comparé à un revêtement céramique d'alumine pure, le revêtement composite à base de graphène et de nanotubes de carbone présente une meilleure résistance à la corrosion.
(2) Avec l'augmentation du temps d'immersion de l'électrolyte, celui-ci pénètre à l'interface revêtement/substrat et forme un film d'oxyde métallique, ce qui entrave sa pénétration dans le substrat. L'impédance électrique diminue d'abord, puis augmente, et la résistance à la corrosion du revêtement en céramique d'alumine pure est faible. La structure et la synergie des nanotubes de carbone et du graphène bloquent la pénétration de l'électrolyte. Après 19,5 h d'immersion, l'impédance électrique du revêtement contenant des nanomatériaux diminue respectivement de 22,94 %, 25,60 % et 9,61 %, et sa résistance à la corrosion est bonne.
(3) Du fait des caractéristiques des nanotubes de carbone, le revêtement auquel on ajoute uniquement des nanotubes de carbone présente une structure poreuse uniformément répartie avant corrosion. Après corrosion, les pores de la partie initiale se rétrécissent et s'allongent, et les canaux s'approfondissent. Le revêtement contenant du graphène possède une structure plane avant corrosion ; les particules qui le composent sont étroitement liées et enrobées de particules par un adhésif. Bien que la surface soit érodée par l'électrolyte après corrosion, les canaux poreux sont peu nombreux et la structure reste dense. La structure composée de nanotubes de carbone et de graphène permet de bloquer efficacement la propagation des fissures et de protéger la matrice.
Date de publication : 9 mars 2022