Corrosieweerstand van boride en carbide nanopoders in nikelelektrolyten: invloed van zuurtegraad, temperatuur en bloottijd

Samenvatting

We onderzochten het corrosiegedrag van hoge-zuiverheid nanopoders (91,8–97,6% hoofdfase, 32–78 nm gemiddelde grootte) van boriden en carbiden van IV–VIB groep metalen, plus siliciumcarbide, in standaard nikelelektrolyt-baden. Corrosieweerstand gekwantificeerd als functie van elektrolyt-pH, temperatuur, en blootstellingsduur. Resultaten tonen aan dat boride en carbide nanopoders binnen elke groep vergelijkbare weerstand vertonen, met essentiële oneindige inductieperioden in alkalische media. Siliciumcarbide nanopoders blijven echter hoogst weerstand bieden over alle geteste zuure condities.

Achtergrond

De prestaties van composiete elektrochemische coatings (CEP) hangen af van de corrosiestabiliteit van hun versterkende poeders. Ongewenste oplossing van verhardingsfasen (bijv. boriden) in het elektrolyt kan coatingintegriteit compromitteren en materiaalselectie beperken. Eerdere studies hebben poederoplossing vaak over het hoofd gezien, wat leidde tot over-optimistische claims over dispersieverharding in chroombaden met zirconiumdiboride. Daarom is systematische beoordeling van refractaire verbinding nanopoders in nikelelektrolyten essentieel, gegeven de schaarste aan data over genanostructureerde boriden en carbiden. Dit werk focust op de corrosieweerstand van boride en carbide nanopoders van zirconium, titanium, vanadium, chroom, molybdeen, en wolfram, alsook siliciumcarbide, in nikelebaden onder varierende pH, temperatuur, en blootstellingstijd.

Methoden

Nanopoders van boriden en carbiden werden gesynthetiseerd via plasmachemische en hoge-temperatuur elektrochemische routes; sleutelkenmerken zijn vermeld in Tabel 1. Corrosietesten gebruikten standaard nikelelektrolyt-formuleringen (zie Tabel 2). Elektrolytzuregraad werd aangepast met geconcentreerd zwavelzuur. Poederconcentratie werd gehandhaafd op 10 kg/m³. Voor testen ondergingen poeders herhaalde verfijning om nanoschaal grafeen en boor onzuiverheden te reduceren tot 0,1–0,3% (wt.) en om vacuümthermische stress toe te passen, agglomeratie voorkomend. Oplosnelheden werden bepaald uit massa-verlies van het onoplosbare residu en uit ionenconcentratiemetingen in het elektrolyt met een magnetometrische techniek.

Resultaten en discussie

Het corrosiegedrag van boride en carbide nanopoders geïllustreerd in Fig. 1 en 2. Beide groepen tonen vergelijkbare vatbaarheid, voornamelijk bepaald door elektrolytzuregraad. In zure baden (pH = 2,0–3,0) treedt snelle oplossing op: na 3 uur bij 323 K, varieert boride oplossing van 9,5% tot 15,6%; na 24 uur, 31,0–38,2%; na 240 uur, 75,1–89,9%. Metaal-achtige carbiden vertonen iets hogere weerstand, met vergelijkbare oplossingsniveaus bereikt na 24, 120, en 360 uur, respectievelijk. Temperatuurverhoging versnelt consistent corrosie, reflecterend verhoogde reactiesnelheden tussen de nanomaterialen en zuurspecies.

Alle onderzochte nanomaterialen ervoeren een duidelijke toename in specifiek oppervlaktegebied tijdens oplossing—stijgend van ~2.000 m²/kg pre-behandeling tot ~10.000 m²/kg post-behandeling—wat wijst op een gelaagd oplossingsmechanisme. Siliciumcarbide behield uniek een oplossingsgraad onder 10% over het gehele pH- en temperatuurbereik bestudeerd.

Figuur 3 presenteert kinetische oplossingskurven afgeleid van ionenconcentratieveranderingen. Inductieperioden—gedefinieerd als de tijd vereist om 50% van de initiële massa op te lossen—waren 32–49 uur voor boriden en 68–88 uur voor carbiden bij pH 2,5; 92–112 uur en 138–167 uur bij pH 3,0; en effectief oneindig bij pH 5,0. Vergeleken met grofkorrelige poeders is de oplossingssnelheid van nanopoders 3–5× hoger, wat een uitgesproken formaateffect benadrukt.

Samenvattend, boride en carbide nanopoders van de bestudeerde metalen vertonen vergelijkbare corrosieweerstand in nikelelektrolyten, grotendeels gedicteerd door elektrolytzuregraad. Hun oplossingssnelheden zijn merkbaar hoger dan grofkorrelige anologieën, een duidelijke manifestatie van het nanometer-schaal effect. Siliciumcarbide nanopoders blijven uitzonderlijk weerstand bieden over bijna alle geteste pH-waarden, wat ze geschikt maakt voor een wijd bereik van elektrochemische processen.

Conclusies

1. Corrosieweerstand van boride, carbide, en siliciumcarbide nanopoders in nikelelektrolyten hangt af van elektrolytzuregraad, temperatuur, en blootstellingsduur.
2. In zure baden (pH = 2,0–3,0) lossen nanopoders snel op—bereikend 75–90% na 240 uur—en deze snelheid versnelt met temperatuur.
3. Siliciumcarbide nanopoders tonen uitzonderlijke stabiliteit; oplossing overschrijdt nooit 12% over pH 2,0–5,0 en temperaturen 295–353 K.

Afkortingen

CEP

Composiete elektrochemische coatings