gc3n4涂层的光电抗腐蚀性能研究
摘 要摘 要金属材料在生产生活中有重要的作用，但是目前金属的腐蚀限制了金属材料的应用，传统的金属防腐蚀方法都存在缺陷。所以研究新的防腐蚀材料和技术成为世界各国科学家研究的重要课题。近年来，发现可以利用TiO2涂层的光生阴极保护法对金属材料进行防护，这一方法具有对环境无污染且成本低，保护过程中无损耗的优点。但是TiO2等无机半导体材料对太阳光的利用率非常低，只能吸收太阳光中4%的紫外光，较低的光催化性能制约了光催化技术的实际应用。有机半导体类石墨相氮化碳（g-C3N4）却因为较窄的禁带宽度，能够吸收太阳光中的可见光成为光电抗腐蚀研究领域的热点。本文用三聚氰胺采用热分解法和微波法制备g-C3N4，g-C3N4与偶联剂，丙酮等按比例混合，将其涂覆在304不锈钢上，常温固化后用硅橡胶封片，进行电化学测试、红外光谱测试、金相显微观察、扫描电镜组织观察、接触角、硬度和附着力测试等对涂层的光电抗腐蚀性能进行综合分析，并探索固态烧结法和微波烧结法两种不同的处理方法以及不同的热处理时间对g-C3N4涂层涂层光电抗腐蚀性能的影响。关键词 ： g-C3N4 三聚氰胺 光电抗腐蚀目 录
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.1.1金属的腐蚀 1
1.1.2 电化学保护 1
1.2半导体光电材料 2
1.2.1半导体光电材料在金属防腐蚀中的应用 2
1.2.2半导体光催化金属防腐蚀原理 2
1.3 氮化碳材料的研究发展过程 4
1.3.1氮化碳的发现过程 4
1.3.2类石墨结构氮化碳的结构 5
1.3.3类石墨氮化碳的制备 5
1.3.4类石墨氮化碳的应用 7
1.4 研究的目的、意义和研究内容 8
1.4.1 研究的目的和意义 8
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验与测试 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器与设备 9
2.3 涂层的电化学测试原理 9
2.4 实验方法 13
2.4.1 gC3N4的制备 13
2.5涂层的电化学测试 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
1.4.1 研究的目的和意义 8
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验与测试 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器与设备 9
2.3 涂层的电化学测试原理 9
2.4 实验方法 13
2.4.1 gC3N4的制备 13
2.5涂层的电化学测试 13
2.5.1实验准备 13
2.5.2时间电流曲线的测试 14
2.5.3 极化曲线的测试 14
2.5.4 gC3N4涂层交流阻抗的测试 14
2.6 gC3N4涂层的金相观察 14
2.8 gC3N4涂层硬度和附着力测试 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 电化学测试 16
3.1.1 gC3N4涂层不同制备方法的电流时间图谱 16
3.1.2 gC3N4涂层不同制备方法的极化曲线图谱 17
3.1.3 gC3N4涂层不同制备方法的的交流阻抗图谱 18
3.1.4 gC3N4涂层不同时间下的电流时间图谱 19
3.1.5 gC3N4涂层不同时间下的极化曲线图谱 20
3.1.6 gC3N4涂层不同时间下的交流阻抗图谱 21
3.2 金相观察 22
3.4 红外光谱分析 25
3.4 gC3N4涂层的硬度和附着力分析 26
3.4.1 gC3N4涂层的硬度分析 26
3.4.2 gC3N4涂层附着力的分析 26
3.5 gC3N4涂层的接触角分析 26
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1研究背景
1.1.1金属的腐蚀
20世纪中叶随着科技和工业的发展，腐蚀的定义也从简单的金属腐蚀扩展至更加广泛的其他材料，包括高分子材料，无机材料等，但是由于金属和合金是与人类生产生活联系最紧密和使用最为广泛的材料，金属和合金的腐蚀也是人们最为关注的问题之一。生产生活中金属和合金又经常发生腐蚀的现象，所以一般认为腐蚀就是指金属被消耗和破坏。
腐蚀存在于国民经济各行各业中，使国民经济遭受到超出想象的经济损失。每年被腐蚀的金属与合金的量是巨大的，金属与合金的腐蚀包括金属材料的腐蚀和金属机械设备的腐蚀。每年全球金属材料被腐蚀损耗的量非常巨大，大概占据全球新的金属材料产出量的30%，造成了大量的损失。腐蚀不仅使金属材料被损耗，各种金属机械设备也遭到破坏，工业的化发展，使环境污染加剧，每年全球被腐蚀掉的金属机械设备约占全球机械产出量的28%。相对比而言，金属设备的毁坏要比金属材料的损坏造成的经济损失大很多。在欧美工业发达国家。因为腐蚀造成的经济损失约占3%4%的国民经济总值[1,2]；中国每年因为腐蚀造成的经济损失约占国民经济的5%，其经济总额至少达三百亿。金属的腐蚀给人们的生产生活带来巨大的经济损失和严重的影响。腐蚀不是突然的发生，而是缓慢的影响着现代人们的生活，但是它造成的危害却不容小觑，需要人们加以警觉。
腐蚀对人类生活多方面的危害，经济上是看的见的损失，还有很多是看不见的危害，其影响范围和结果都更为严重，比如腐蚀会带来安全隐患，造成人员伤亡，腐蚀掉材料造成环境污染等[3,4]。目前金属防护的主要方法有合金化处理、金属表面进行覆盖物处理、电化学保护等。如何能够提高金属的抗腐蚀性能，研究出有效的腐蚀防护方法与技术是世界各地科学家迫切想解决的问题。
1.1.2 电化学保护
电化学保护法是目前应用最为广泛的金属防腐蚀方法[5]，它在船舶防腐，海洋工程，桥梁建筑等行业已经的到广泛的应用。牺牲阳极的阴极保护法和牺牲阴极阳极保护法是电化学保护法两种主要方法[6]。然而目前的电化学保护法通常以牺牲大量阳极材料或消耗大量电源等方式对金属进行防护，并且无法对金属提供长期有效的保护。因此研发出金属抗腐蚀的新技术成为了世界各地科学家关注的重要课题。自然界中电力是有限的，而太阳光却是无限的，将光转化为电来保护金属材料成为了新的研究点。直接将太阳能电池应用在金属上并不现实，科学家在研究中发现光对金属表面钝化膜的有影响，能够提高金属的抗腐蚀性能，有许多金属在空气中被氧化后形成钝化膜，这些钝化膜能够起到抗腐蚀的作用，但是这样的钝化膜在保护金属方面效果并不明显。一但钝化膜被破坏，有可能加快腐蚀进程[7]。在研究中发现可以采用金属材料的光电化学阴极保护方法。以半导体材料作为光电转换中心，将光转化为电，而不是像传统的电化学方法以牺牲阳极材料和电力的方法。半导体材料不会消失，并且能够很好的利用太阳光。目前TiO2, SrTiO3,宽禁带无机N型半导体材料是科学家重点研究的材料之一。然而TiO2这些材料只能在紫外光区域才能取得良好的效果，但太阳光中紫外只能占很小的一部分，另一方面TiO2等材料的价格也相对比较高，不能够广泛的应用在日常的工业生产中，所以限制了它们的发展。如何能够发现廉价、环保、稳定，吸收可见光以及导带电位较负的N型半导体材料才是未来研究的正确方向。
1.2半导体光电材料
1.2.1半导体光电材料在金属防腐蚀中的应用
半导体光电材料在金属的电化学防腐蚀中有着十分重要的应用，其防护原理类似于电化学保护法中的牺牲阳极的保护法。半导体光电材料中研
第一章 绪论 1
1.1研究背景 1
1.1.1金属的腐蚀 1
1.1.2 电化学保护 1
1.2半导体光电材料 2
1.2.1半导体光电材料在金属防腐蚀中的应用 2
1.2.2半导体光催化金属防腐蚀原理 2
1.3 氮化碳材料的研究发展过程 4
1.3.1氮化碳的发现过程 4
1.3.2类石墨结构氮化碳的结构 5
1.3.3类石墨氮化碳的制备 5
1.3.4类石墨氮化碳的应用 7
1.4 研究的目的、意义和研究内容 8
1.4.1 研究的目的和意义 8
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验与测试 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器与设备 9
2.3 涂层的电化学测试原理 9
2.4 实验方法 13
2.4.1 gC3N4的制备 13
2.5涂层的电化学测试 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
8
1.4.1 研究的目的和意义 8
1.4.2 研究内容 8
第二章 实验与测试 9
2.1 实验材料 9
2.2 实验仪器与设备 9
2.3 涂层的电化学测试原理 9
2.4 实验方法 13
2.4.1 gC3N4的制备 13
2.5涂层的电化学测试 13
2.5.1实验准备 13
2.5.2时间电流曲线的测试 14
2.5.3 极化曲线的测试 14
2.5.4 gC3N4涂层交流阻抗的测试 14
2.6 gC3N4涂层的金相观察 14
2.8 gC3N4涂层硬度和附着力测试 15
第三章 结果与讨论 16
3.1 电化学测试 16
3.1.1 gC3N4涂层不同制备方法的电流时间图谱 16
3.1.2 gC3N4涂层不同制备方法的极化曲线图谱 17
3.1.3 gC3N4涂层不同制备方法的的交流阻抗图谱 18
3.1.4 gC3N4涂层不同时间下的电流时间图谱 19
3.1.5 gC3N4涂层不同时间下的极化曲线图谱 20
3.1.6 gC3N4涂层不同时间下的交流阻抗图谱 21
3.2 金相观察 22
3.4 红外光谱分析 25
3.4 gC3N4涂层的硬度和附着力分析 26
3.4.1 gC3N4涂层的硬度分析 26
3.4.2 gC3N4涂层附着力的分析 26
3.5 gC3N4涂层的接触角分析 26
结 论 29
致 谢 30
参考文献 31
第一章 绪论
1.1研究背景
1.1.1金属的腐蚀
20世纪中叶随着科技和工业的发展，腐蚀的定义也从简单的金属腐蚀扩展至更加广泛的其他材料，包括高分子材料，无机材料等，但是由于金属和合金是与人类生产生活联系最紧密和使用最为广泛的材料，金属和合金的腐蚀也是人们最为关注的问题之一。生产生活中金属和合金又经常发生腐蚀的现象，所以一般认为腐蚀就是指金属被消耗和破坏。
腐蚀存在于国民经济各行各业中，使国民经济遭受到超出想象的经济损失。每年被腐蚀的金属与合金的量是巨大的，金属与合金的腐蚀包括金属材料的腐蚀和金属机械设备的腐蚀。每年全球金属材料被腐蚀损耗的量非常巨大，大概占据全球新的金属材料产出量的30%，造成了大量的损失。腐蚀不仅使金属材料被损耗，各种金属机械设备也遭到破坏，工业的化发展，使环境污染加剧，每年全球被腐蚀掉的金属机械设备约占全球机械产出量的28%。相对比而言，金属设备的毁坏要比金属材料的损坏造成的经济损失大很多。在欧美工业发达国家。因为腐蚀造成的经济损失约占3%4%的国民经济总值[1,2]；中国每年因为腐蚀造成的经济损失约占国民经济的5%，其经济总额至少达三百亿。金属的腐蚀给人们的生产生活带来巨大的经济损失和严重的影响。腐蚀不是突然的发生，而是缓慢的影响着现代人们的生活，但是它造成的危害却不容小觑，需要人们加以警觉。
腐蚀对人类生活多方面的危害，经济上是看的见的损失，还有很多是看不见的危害，其影响范围和结果都更为严重，比如腐蚀会带来安全隐患，造成人员伤亡，腐蚀掉材料造成环境污染等[3,4]。目前金属防护的主要方法有合金化处理、金属表面进行覆盖物处理、电化学保护等。如何能够提高金属的抗腐蚀性能，研究出有效的腐蚀防护方法与技术是世界各地科学家迫切想解决的问题。
1.1.2 电化学保护
电化学保护法是目前应用最为广泛的金属防腐蚀方法[5]，它在船舶防腐，海洋工程，桥梁建筑等行业已经的到广泛的应用。牺牲阳极的阴极保护法和牺牲阴极阳极保护法是电化学保护法两种主要方法[6]。然而目前的电化学保护法通常以牺牲大量阳极材料或消耗大量电源等方式对金属进行防护，并且无法对金属提供长期有效的保护。因此研发出金属抗腐蚀的新技术成为了世界各地科学家关注的重要课题。自然界中电力是有限的，而太阳光却是无限的，将光转化为电来保护金属材料成为了新的研究点。直接将太阳能电池应用在金属上并不现实，科学家在研究中发现光对金属表面钝化膜的有影响，能够提高金属的抗腐蚀性能，有许多金属在空气中被氧化后形成钝化膜，这些钝化膜能够起到抗腐蚀的作用，但是这样的钝化膜在保护金属方面效果并不明显。一但钝化膜被破坏，有可能加快腐蚀进程[7]。在研究中发现可以采用金属材料的光电化学阴极保护方法。以半导体材料作为光电转换中心，将光转化为电，而不是像传统的电化学方法以牺牲阳极材料和电力的方法。半导体材料不会消失，并且能够很好的利用太阳光。目前TiO2, SrTiO3,宽禁带无机N型半导体材料是科学家重点研究的材料之一。然而TiO2这些材料只能在紫外光区域才能取得良好的效果，但太阳光中紫外只能占很小的一部分，另一方面TiO2等材料的价格也相对比较高，不能够广泛的应用在日常的工业生产中，所以限制了它们的发展。如何能够发现廉价、环保、稳定，吸收可见光以及导带电位较负的N型半导体材料才是未来研究的正确方向。
1.2半导体光电材料
1.2.1半导体光电材料在金属防腐蚀中的应用
半导体光电材料在金属的电化学防腐蚀中有着十分重要的应用，其防护原理类似于电化学保护法中的牺牲阳极的保护法。半导体光电材料中研
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