多層マイクロ/ナノでライニングされた鋼の特性評価

Nov 30, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 19194 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、鋼クーポンの各面にある 3 つの多層ポリマーコーティングの異なる構造間の機械的抵抗特性とバリア抵抗特性の比較を研究しました。 1 wt%、2 wt%、および 3 wt% のミクロンまたはナノサイズのアルミナ (Al2O3) 粒子が充填されたエポキシが、両面の鋼に対するコーティング層を表しました。耐バリア性は、コーティングされた鋼試験片を塩溶液およびクエン酸媒体に浸漬することによって実行されました。ミクロンおよびナノサイズのアルミナ (Al2O3) 粒子をエポキシコーティングに添加すると、純粋なエポキシコーティングと比較して、乾燥および湿潤状態でのバリア抵抗、引張、硬度が向上しました。 Al2O3 マイクロ/ナノ粒子がさらに増加すると、引張強度とバリア耐性が低下します。 1 wt% Al2O3 ナノ粒子を充填したエポキシで裏打ちされた鋼は、乾燥状態と湿潤状態でそれぞれ 299.5 MPa と 280.9 MPa の最大引張強さを持っています。しかし、1 wt% Al2O3 微粒子を充填したエポキシで裏打ちされた鋼は、乾燥状態と湿潤状態でそれぞれ 296.5 MPa と 275.4 MPa の引張強さを持ちます。段階的に傾斜したマイクロ/ナノ複合コーティングでは良好な特性が観察されました。 3 wt% Al2O3 ナノ粒子を充填したエポキシで裏打ちされた鋼は、乾燥状態および湿潤状態でそれぞれ 46 HV および 40 HV の最大硬度を持ちます。

金属の腐食は、鋼構造物が腐食にさらされる場合、重大な問題の 1 つと考えられています1。スチールは機械的強度が高く、低コストで製造できます。そのため、掘削設備、造船、パイプラインなどに利用されています。海洋では、腐食が全体の故障の 30% を引き起こすため、部品の修理または交換が必要になります。海洋環境では、鋼の腐食は塩分とアルカリ度の影響を受けます2。続いて、新規または既存の鋼構造の腐食を避けるために、鋼の表面にコーティングが実行されました。鋼の腐食は、特に油田や海洋環境において費用がかかるため、多くの研究の関心を集めてきました3。最近、酸素と水分の拡散を減らすために、スチールにポリマー複合ライナーが使用されました。金属へのエポキシコーティングとしての有機保護コーティングは、優れた耐候性を特徴としています4。保護されたエポキシコーティングは、その非常に優れた靭性、耐久性、金属基材への接着力により、湿潤環境で大きな注目を集めています1。ただし、エポキシコーティングの高い架橋密度とバリア挙動は、腐食にさらされると望ましくない影響を受ける可能性があります。ポリマーコーティングが弱まると、エポキシコーティング表面に穴や欠陥が生じます。腐食性媒体にさらされると、穴や欠陥の幅と深さが大きくなります。電解液がポリマーコーティング内に拡散する際、穴は導電経路とみなされます5。さらに、保護コーティングは、ポリマーコーティングと金属の界面での剥離である層間剥離の原因によって機能しません6。ポリマーコーティングの劣化によりバリア特性が低下し、ポリマーコーティングの機械的特性が低下します5。したがって、実際の用途の要件を達成するには、エポキシをエポキシ複合コーティングに置き換えることによってエポキシ樹脂の特性を強化することが不可欠です4。

エポキシコーティングに無機フィラーを埋め込むことは、有機ポリマーコーティングの耐腐食特性を強化する方法の 1 つです。ミクロンまたはナノサイズのより小さなフィラー粒子を追加すると、導入されたポリマーコーティングのバリア特性が向上する可能性があります。フィラーのサイズ、形態、形状、重量パーセントは、複合材の固有の特性に大きく影響します2。ナノ粒子は優れた水分バリアであると考えられているため、吸水を効果的に阻止し、金属の耐用年数を改善します2。食品産業ではさまざまなレベルでさまざまなナノマテリアルが関与しており、人間の健康にプラスとマイナスの両方の影響を及ぼします。アルミナは、加工機械、器具、装置などの他の食品と接触する材料からの汚染または移行によっても存在する可能性があります7。 Al2O3 粒子を含むコーティングは、ポリマーコーティングと比較して耐引掻性と耐摩耗性が向上しました。この耐引掻性と耐摩耗性の向上は、ポリマーコーティング中の Al2O3 ナノ粒子の分散硬化によるものと考えられます8。環境への影響は、ポリマーコーティングにナノサイズの微粒子を利用し、有毒な溶剤の必要性を排除することで高めることができます9。ポリマーコーティングに埋め込まれたナノ粒子は、その優れた物理的、機械的、および熱的特性でよく知られています10、11。

Ramezanzadeh と Attar5 は、ミクロンおよびナノサイズの ZnO フィラーを含むエポキシコーティングの耐食性を調査しました。試験片を 3.5 wt% NaCl 溶液に浸しました。クーポンの耐食性は、15 日間の浸漬後に大幅に低下しました。エポキシコーティングの耐食性は、ナノサイズのZnOフィラーで強化されることで強化されました。結果は、エポキシコーティングが 3.5 wt％ナノ ZnO 粒子で強化されたため、3.5 wt％ NaCl 溶液に浸漬したポリマーコーティングの架橋密度の低下と硬度の低下が最小限に抑えられることを示しました。また、密着性も３．５ｗｔ％で増加した。さらに、Anaki と Xavier1 は、2 wt% のナノ Al2O3 を含む軟鋼上の強化エポキシコーティングの分散性を研究しました。得られた標本は 3.5% NaCl 溶液に浸漬されています。エポキシコーティングと比較して、改良されたナノコンポジットコーティングにより耐腐食性能が向上しました。強化されたエポキシコーティングにより、エポキシコーティングよりも優れた接着強度が得られ、硬度、引張強度が向上し、耐食性が向上しました。さらに、Golru et al.12 は、1、2.5、および 3.5 wt% のナノアルミナフィラーで強化されたエポキシ/ポリアミドをコーティングした AA1050 基板を作成しました。結果は、ナノフィラーが高い割合で充填された場合でもポリマーコーティング中に均一に分散していることを示した。ポリマーコーティングの耐食性は、ナノフィラーの重量パーセントを増やすことでさらに改善されました。

最近、多層ナノコンポジットは、マイクロ波吸収、機械的特性、隣接する層間の界面に構築される誘電率、フィラーの相乗効果などの必要な特性により、大きな注目を集めています。それにもかかわらず、多層マイクロ/ナノ複合コーティングの適用はまだ報告されていません4。ミクロンサイズの Al2O3 フィラーは市販されており、ナノサイズの Al2O3 よりも低コストです。したがって、研究の目的は、異なるパーセンテージのマイクロおよびナノ Al2O3 粒子を充填したエポキシライナーとスチールの多層を開発し、それらを区別することです。 3 パーセントのアルミナマイクロ粒子およびナノ粒子 (1 wt%、2 wt%、および 3 wt%) を、異なる構成でエポキシに導入しました。標本は塩溶液とクエン酸媒体に浸漬されました。バリア抵抗と機械的特性を乾燥および湿潤条件下で調査しました。

Al Ezz-Dekheila Steel Company Alexandria から供給された軟鋼を金属基板として使用しました。鋼板は、レーザー機械によって試験片の必要な寸法に切断されました。鋼基材の表面を粗くするために試験片を研磨した。研磨後、コーティングの前に、クーポンの表面の上面と下面をアセトンで洗浄しました。水酸化ナトリウム、クエン酸、アセトンなどの化学物質は、エジプトの El Nasr Pharmaceutical Chemicals から供給されました。コーティングは、エジプトの CNB Company によって供給されるエポキシ樹脂 (Kemapoxy RGL150) です。補強材は、純度約 99% のミクロンおよびナノサイズの Al2O3 フィラーです。マイクロ粒子とナノ粒子のサイズは、それぞれ90μmと70nmです。

エポキシ保護フィルムは、エポキシに硬化剤を慎重に添加し、エポキシ樹脂の質量比 1:2 で十分にブレンドすることによって作成されました。マイクロ/ナノ複合保護フィルムはマイクロとして実行されるか、超音波処理プロセスによってエポキシ樹脂にナノ粒子が追加されます。超音波処理は、Hielscher 超音波プロセッサ UP 200 S を使用して実行されました。超音波処理は、13、14 の推奨に従って、40% の振幅で 2 時間オン/オフで 1 秒あたり 0.5 サイクル実行されました。エポキシ樹脂を劣化から保護するために、超音波処理中に混合物を氷水浴上に置き、冷却しました15。その後、ブレンドと硬化剤を推奨比率で 25 °C の温度で混合しました。保護層は、過剰な樹脂を除去し、空隙含有量と閉じ込められた気泡を減らすために、金属ローラーによってスチール上に作成されました。鋼試験片の片面に塗装を施し、硬化するまで 24 時間放置します。続いて、同じ側の 2 番目の層を構築し、硬化するために 1 日放置しました。 3層目も同様です。同じ手法をクーポンの底面の他の 3 つの層に対して実行しました。鋼基材上の最終的な段階的傾斜および非傾斜マイクロ / ナノ複合コーティングは、図 1 に示すように構築されました。

スチール基板上へのマイクロ/ナノ複合コーティングの構築。

マイクロ/ナノ複合材料クーポンでコーティングされた鋼の引張挙動は、ASTM D3039 に従って試験されました。引張試験は、コンピューター制御万能試験機 (Jinan Test Machine WDW 100 kN) を使用して実施されました。クロスヘッド速度は 2 mm/min に設定され、応力 - ひずみ曲線はコンピューターデータ収集システムによって記録されました。すべてのテストは周囲温度で実行されました。

硬度は、PCE-1000N 硬度計を使用して、マイクロ/ナノ複合材でコーティングされた鋼の 10 個の異なる場所で測定し、平均値をとりました。

マイクロ/ナノ複合材料で裏打ちされた鋼の腐食媒体を評価するために、いくつかの試験クーポンを塩溶液およびクエン酸溶液に浸漬しました。塩溶液は、水に溶解した３．５％ＮａＣｌとして実行された。濃度２Ｎのクエン酸溶液を再蒸留水で調製した。取り込み試験は ASTM D5229/D5229M-14 に従って実施されました。コーティングされたクーポンを定期的に溶液から取り出し、拭き取り、乾燥させ、最大 10 -4 g の精度の化学天秤を使用して重量を測定し、吸収プロセス中の重量変化を監視しました。次に、マイクロ/ナノ複合保護コーティングによって吸収された溶液含有量 M(t) は、次のように初期重量 (w0) を基準とした質量増加パーセンテージとして計算されました 16:

ここで、wt は時間 t 後のクーポンの質量です。コーティングされたクーポンは最長 21 日間浸漬されました。

図 2a、b は、それぞれ乾燥状態と湿潤状態における、Al2O3 微粒子と Al2O3 ナノ粒子を充填した鋼基材への多層エポキシコーティングの硬度を示しています。湿潤状態で、コーティングされた鋼試験片を塩溶液に 35 日間浸漬しました。純粋なエポキシコーティングと比較して、乾燥状態および湿潤状態における硬度の向上は、両方のサイズの Al2O3 粒子で達成されました。さらに、ミクロン粒子およびナノ粒子の重量パーセントが増加するにつれて、硬度も増加しました。この硬度の増加は、コーティングされた鋼試験片の表面上の Al2O3 粒子の含有量が 3 wt% まで増加したためであり、ポリマーの硬度と比較して、Al2O3 粒子としてのセラミック粒子の硬度の値が高いことに起因すると考えられます。さらに、硬度圧子による測定中に、力により加えられる荷重が増加し、その結果エポキシが押され、粒子が互いに接触し、加えられる力に対する抵抗が大きくなります。 Al2O3 粒子含有量の重量パーセントが増加すると、マイクロ/ナノ粒子がポリマーマトリックスに亀裂や空隙として存在する隙間を埋め、硬度が増加します 17,18。さらに、段階的に傾斜したマイクロ/ナノ複合コーティングの硬度により、1重量%および2重量%のマイクロ/ナノAl2O3粒子が充填された複合ライナーと比較して高い硬度が得られます。これは、コーティングされた鋼試験片の外表面上のマイクロ/ナノ Al2O3 粒子の割合が高く (3 wt%)、次いで 2 wt% Al2O3 粒子、次に 1 wt% Al2O3 粒子に起因すると考えられます。

(a) Al2O3 微粒子 (b) Al2O3 ナノ粒子で満たされた鋼基材への多層エポキシコーティングの硬度。

図2a、bから、コーティングされた試験片が塩溶液に浸漬されると硬度が低下することがわかります。この硬度値の低下は主に、海水の吸収による可塑化、つまりエポキシの軟化と柔軟性の増加によるものです。さらに、海水を吸収すると、粒子とマトリックスの界面や層間に損傷が生じます。コーティングされた試験片による海水分子の取り込みにより、エポキシ分子間の結合が乱され、ポリマー複合材ライナーが非常に柔らかくなり、Al2O3 粒子とエポキシの間の結合が弱くなる可能性があります。さらに、エポキシは吸水により膨潤し、Al2O3 粒子に圧力が発生し、その結果粒子がエポキシから引き抜かれ、コーティングされた試験片の内側に微小亀裂が形成されました。これにより、湿潤状態での試験片の硬度は、乾燥状態での同等の試験片の硬度と比較して低下します19。

図 3 は、乾燥状態と湿潤状態におけるマイクロコンポジットとナノコンポジットのコーティングの硬度値の比較を示しています。この図から、乾燥状態または湿潤状態のいずれかで 3 wt% のナノメートルサイズの Al2O3 粒子を添加すると、最も高い硬度値が得られたことが明らかです。続いて、段階的に傾斜したナノコンポジットコーティングを施します。これは、エポキシマトリックスの強化における Al2O3 ナノメートルサイズの粒子の高い効果を示しています。これは、Al2O3 マイクロ粒子と比較して Al2O3 ナノ粒子の表面積が大きいことに起因すると考えられます20。試験片 N3 は最も高い硬度値を示し、乾燥状態と湿潤状態でそれぞれ 48.4% と 90.48% 向上しました。

乾燥状態と湿潤状態におけるマイクロコンポジットとナノコンポジットのコーティングの硬度値の比較。

Al2O3微粒子とAl2O3ナノ粒子を充填した鋼基材への多層エポキシコーティングの乾燥条件および湿潤条件下での引張強度をそれぞれ図4a、bに示します。結果は、すべての試験片を海水に浸漬した後、引張強さが低下することを示しました。吸水により、ポリマー複合材料でコーティングされた鋼の機械的特性が低下します。水分子の導入により、エポキシマトリックスの構造と、Al2O3 マイクロ/ナノ粒子とエポキシマトリックスの界面が変化しました。コーティング層の内部に水が侵入すると、界面が損傷し、ポリマーマトリックスに亀裂が生じ、その結果、ポリマー複合コーティングの機械的特性が低下しました21。コーティング層間および粒子/マトリックス界面での剥離は応力伝達に影響を及ぼし、したがってエポキシマトリックスに対するマイクロ/ナノ Al2O3 粒子の補強効果に影響を与えました22。ミクロンおよびナノ Al2O3 粒子の重量パーセントが増加すると、引張強度は減少しました。 1 wt% のマイクロ/ナノ Al2O3 粒子を添加すると、純粋なエポキシコーティングと比較して、乾燥状態および湿潤状態での引張強度が最大限に向上します。重量パーセントの少ない充填剤を組み込むと、ポリマー複合材料の機械的特性が大幅に向上します23。図4aから、ミクロンサイズのフィラーを異なる重量パーセントでエポキシに添加すると、引張強度が向上することが明らかです。 M1 の引張強さは M123 に近く、乾燥状態での純粋なエポキシコーティングと比較して 5.97% の向上を示しました。試験片 M1 は湿潤条件下で 2.31% という最高の改善を示しました。しかし、引張強さの改善は、試験片 M3 の乾燥条件下と湿潤条件下でそれぞれ 0.66% と 0.92% という最小の改善しか得られませんでした。図 4b は、試験片 N1 が乾燥条件および湿潤条件下でそれぞれ 6.92% および 4.33% の引張強さの最大の向上を示したことを示しています。試験片 N3 では最も改善が見られませんでした。より高いナノフィラー重量パーセントを添加すると、分散が悪くなることを意味します。凝集体は一般に応力集中体として作用し、その結果機械的特性が低下します24、25、26、27、28、29。

(a) Al2O3 微粒子 (b) Al2O3 ナノ粒子で満たされた鋼基材への多層エポキシコーティングの引張強度。

図 5 は、乾燥状態と湿潤状態におけるマイクロコンポジットとナノコンポジットのコーティングの引張強度の比較を示しています。この図は、コーティングされた試験片が塩溶液に浸漬されると引張強さが低下することを示しています。吸水は主に可塑化を引き起こし、複合材料の機械的強度と剛性を低下させます24。試験片 N1 は、乾燥条件下および湿潤条件下でそれぞれ引張強さの最大の向上を示しました。試験片 M3 では最も改善が見られませんでした。マイクロ/ナノ複合材料で裏打ちされた段階的に傾斜した鋼はどちらも、1 wt% Al2O3 マイクロ/ナノ粒子を充填したエポキシでコーティングされた試験片に近いものです。

乾燥状態および湿潤状態におけるマイクロ/ナノ複合コーティングの引張強度。

粒子が充填されたポリマーコーティングの機械的特性は、フィラーのサイズ、フィラー/ポリマーマトリックスの界面接着力、およびフィラーの含有量によって異なります。所定の充填剤含有量の場合、ポリマー複合材料の強度は、充填剤のサイズを小さくすることによって強化されます。 N1、N2、N3、N123 などのナノコンポジットコーティングは、M1、M2、M3、M123 などのマイクロコンポジットコーティングよりも高い総表面積を持っています。したがって、さらに効果的な応力伝達機構により強化粒子の総表面積を増加させることで、硬度と引張強度が向上します。フィラー/マトリックス界面の接着強度は、構成要素間の荷重伝達を制御します。効果的な応力伝達は、ポリマー複合材料の 2 つの構成要素の強度に寄与する最も重要な要素と考えられています。結合が弱いフィラーの場合、フィラーとポリマーの界面での応力伝達は効果がありません。ポリマーマトリックスへのフィラーの接着力が低いため、剥離という形で不連続が発生しました。その結果、充填剤は荷重に耐えることができなくなり、充填剤の含有量が増加するとポリマー複合材の強度が低下します。それにもかかわらず、よく結合したフィラーで強化されたポリマー複合材料の場合、ポリマーマトリックスにフィラーを追加すると、主に表面積の大きいナノフィラーの機械的特性が向上しました30。

図6a、bは、Al2O3マイクロ粒子およびナノ粒子で満たされたスチール基板上の多層エポキシコーティングの引張ひずみを示しています。 Al2O3 マイクロ/ナノ粒子をエポキシに添加すると、乾燥条件および湿潤条件下で純粋なエポキシと比較して引張ひずみが改善されました。 Al2O3 フィラーの重量パーセントが増加すると、引張ひずみが増加します。試験片を塩溶液に浸漬すると、純粋なエポキシコーティングと比較して、両方のサイズの Al2O3 粒子の引張ひずみが増加します。未充填エポキシと Al2O3 充填マイクロ/ナノ複合材料の両方の延性は、吸水の結果として強化されました。これは、浸漬時間が長くなると、エポキシ樹脂の延性が向上する水の可塑化効果によるものと考えられます31、32、33。図 7 は、乾燥条件と湿潤条件下でのマイクロ/ナノ複合コーティングの引張ひずみの比較を示しています。乾燥状態および湿潤状態における引張ひずみの最大の改善は、N123 からそれぞれ 37.15% および 35.5% 得られます。これに続いて、純粋なエポキシと比較して、乾燥状態および湿潤状態の N3 試験片ではそれぞれ 23.4% および 30% の向上が見られます。

(a) Al2O3 微粒子 (b) Al2O3 ナノ粒子で満たされた鋼基板への多層エポキシコーティングの引張ひずみ。

乾燥および湿潤条件下でのマイクロ/ナノ複合コーティングの引張ひずみ。

Al2O3 ナノ粒子の高い表面積は、ポリマー複合コーティングに大きな界面を開発する最も魅力的な問題です 20,34,35,36,37。 3 wt% の Al2O3 ナノ粒子をエポキシコーティングに添加すると、Al2O3 ナノ粒子の量が非常に多くなり、粒子とエポキシの相互作用ではなく粒子間の相互作用が生じます。その結果、Al2O3 粒子が凝集し始めてクラスターを形成し、ポリマーマトリックス鎖間のファンデルワールス相互作用に影響を及ぼし、架橋を減少させ、空隙率を増加させます。したがって、結果として得られる機械的特性は低下します34,35。

多層の充填エポキシで被覆された鋼で発生する破壊には、被覆層間の剥離、母材の亀裂、および鋼と被覆層の間の剥離が伴います。隣接する層間の界面で層間剥離が発生した。さまざまな種類の試験を受けるポリマー複合材料では、層間剥離が最も多くの故障を占めます。試験片に荷重を加えると、層間剥離がさらに進行し、最終的な破損につながります。層間剥離は、隣接する層間の界面で発生する層間応力によって形成されます。フィラー/ポリマーマトリックス界面の破壊により応力が生じ、層亀裂が形成され、その後層間剥離の開始場所として機能します。ポリマー複合コーティング層間に良好な界面結合が生じ、層間剥離の形成が妨げられた。 Al2O3 マイクロ/ナノ粒子をエポキシマトリックスに添加すると、良好なフィラー/ポリマーマトリックス界面が形成され、コーティング層間の剥離が減少し、その結果機械的特性が向上します20。

図 8a、b は、食塩水とクエン酸に 35 日間浸漬した、Al2O3 マイクロ/ナノ粒子を充填したスチール基板への多層エポキシコーティングのバリア特性を示しています。図から明らかなように、Al2O3 マイクロおよびナノ複合材コーティングの両方について、取り込み% が海水の取り込み% よりも大幅に高いことがわかります。

(a) 食塩水 (b) クエン酸に 35 日間浸漬した、Al2O3 マイクロ/ナノ粒子を充填したスチール基板への多層エポキシコーティングのバリア特性。

図9a、bは、Al2O3マイクロ/ナノ粒子が充填されたスチール基板への多層エポキシコーティングのバリア特性を示しています。両方の溶液の取り込みは、Al2O3 粒子のサイズが小さくなるにつれて減少しました。 Al2O3 マイクロ/ナノ粒子の含有量が増加すると、吸水率が増加します。これは、高含有量の Al2O3 マイクロ/ナノ粒子含有量の存在によって形成される空隙の増加に起因する可能性があり、また、ポリマーマトリックス中に形成される Al2O3 マイクロ/ナノ粒子の凝集により微小亀裂が形成される結果となる、Al2O3/エポキシの接着力の低下にも起因する可能性があります。さらに、海水の影響下では、Al2O3 マイクロ/ナノ粒子はその場所から離れて、毛細管効果により海水で満たされる空隙を形成する傾向があります 22,36,37。 Al2O3 ナノ粒子が充填されたエポキシコーティングでは、水の取り込み速度の低下がより大きくなります。これは、海水の移動を妨げ、吸水率を低下させる曲がりくねった経路を形成する Al2O3 ナノ粒子の良好なバリア特性に起因すると考えられます 38。エポキシコートに生じた亀裂を埋めることにより、腐食と機械的特性の改善が観察されました。ナノ粒子は強力なバリアとして機能し、攻撃的なイオンが鋼表面に浸透するのを防ぎます2。その結果、非常に細かい粒子サイズと高い境界体積を備えたナノ粒子は、従来のフィラーと比較して強化されたバリア特性を提供します9。

(a) Al2O3 微粒子 (b) Al2O3 ナノ粒子で満たされた鋼基板への多層エポキシコーティングのバリア特性。

最小の取り込み % は、1 wt% Al2O3 ナノ粒子でコーティングされた鋼で達成されました。これは、図 10a に示すように、低い重量パーセント (1 wt%) の Al2O3 ナノ粒子の良好な分散に起因すると考えられます。ポリマー複合材料中でナノフィラーの良好な分散と分布が達成されると、より優れた特性を実現できます39。少量の重量パーセントのナノフィラーを含めることにより、特性が大幅に改善されることが示されました 23,40。

(a) N1 および (b) N3 におけるアルミナナノ粒子の分散を示す SEM。

エポキシへの Al2O3 マイクロ/ナノ粒子がさらに増加すると、取り込み率が増加することが観察されます。これは、図 10b に示すように、より多くの Al2O3 粒子をエポキシに添加することによって水の吸収が促進されることによって引き起こされる凝集の存在に起因すると考えられます。したがって、硬化したエポキシの自由体積と、Al2O3 粒子とエポキシ樹脂の間のクリアランスが大きいほど、マイクロ/ナノ複合材料の透水性が高くなり、より悪いバリア特性が得られます。さらに、界面に存在する余分な自由体積も、マイクロ/ナノ複合材料内部の透水性を促進しました。海水は、エポキシマトリックスを通って拡散するよりも、エポキシ/Al2O3 界面に沿って拡散し、界面結合を破壊する可能性が高くなります。したがって、自由体積が増加すると、水の透過性が増加します41。凝集により、Al2O3-エポキシの表面相互作用が低下し、応力集中が高くなります。これにより、ナノフィラーが充填された複合材料の機械的特性やバリア特性が低下します。ただし、凝集体サイズが小さくなると、機械的特性が大幅に向上します42。 Al2O3 ナノ粒子の均一な分散により、エポキシマトリックス中のナノ粒子の表面積が増加することが確認されました。これにより、Al2O3 ナノ粒子のエポキシ分子への露出表面積が増加し、Al2O3 ナノ粒子とエポキシコーティングの間の架橋が生じます。この架橋により、応力をエポキシから Al2O3 ナノ粒子に伝達することが可能になりました。 Al2O3 ナノ粒子は強度が高いため、ポリマーマトリックスに導入されたときに追加の荷重を効果的に運ぶことができます 25,43。

段階的に傾斜したナノコンポジットコーティング (N123) は、優れたバリア性と機械的特性を備えています。複合材料中の Al2O3 ナノ粒子の分布を決定するために、FESEM および図 11 に示す組成走査 (EDX) 画像によってコーティングされた試験片 N123 の表面分析を実行しました。FESEM は、検査されたナノ複合材料コーティングに対して実行されました。表面スキャンが実行され、EDX はコーティングされた鋼 N123 の検査結果を提供します。表面スキャンの結果は、構造内の元素が均一に分布していることを示しています。

(a) 段階的に傾斜したナノ複合材料コーティング N123 の FE-SEM、(b) – (d) 元素マップ、(e) EDX スペクトル。

金属腐食による経済的損失は、世界中で年間数十億ドルに達しました44,45,46。エポキシは、その良好な接着特性、優れた引っ掻き硬度などの理由から、最も一般的で優れたコーティングであると考えられています27。それにもかかわらず、エポキシコーティングは、長時間暴露される厳しい環境条件下では機能しなくなる可能性があります28。コーティングの接着力が低いと、コーティング層の層間剥離だけでなく、ポリマーコーティングの下の鋼の腐食も引き起こす可能性があります47、48。アルミナ薄膜コーティングは高い機械的特性と耐食性を備えているため、ガス拡散バリア、表面不動態化、反射防止層などの多くの産業分野で応用されています49。 Al2O3 マイクロ/ナノ粒子をエポキシコーティングに含めて保護コーティングを製造すると、金属表面を使用した商業用途に大きな可能性を秘めています50。金属表面へのナノコーティングは機器設計に使用できるため、メンテナンスと作業コストが削減されます51。

この研究では、ミクロンおよびナノサイズのAl2O3粒子が充填された多層エポキシで裏打ちされた鋼の引張、硬度+SS、およびバリア特性が調査されました。結果は、塩およびクエン酸媒体に対するバリア耐性が、ナノまたはミクロンサイズの Al2O3 粒子をエポキシコーティングに添加することによって大幅に強化されることを示しました。ナノコンポジットコーティングは、マイクロコンポジットコーティングよりも高い機械特性とバリア特性を備えています。乾燥条件および湿潤条件下で、3 wt% Al2O3 を充填したエポキシライナーを使用すると、それぞれ 48.4% および 90.48% の最大改善が達成されました。ただし、乾燥条件下および海水条件下で、1 wt% Al2O3 ナノ粒子を充填したエポキシライナーを使用すると、それぞれ 6.92% および 4.33% の引張強度の最大向上が得られました。エポキシライナーへの Al2O3 マイクロ/ナノ粒子がさらに増加すると、塩およびクエン酸溶液の取り込み率が増加しました。

現在の研究で使用されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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ザガジグ大学工学部機械設計および生産工学科、私書箱 44519、ザガジグ、エジプト

M・メガヘッド

ザガジグ大学工学部材料工学科、ザガジグ、44519、エジプト

くっ。アブド・エル・アジズ & D. セイバー

サウジアラビア、ターイフ大学、工学部機械工学科

くっ。アブド・エル・アジズ

サウジアラビア、ターイフ大学、工学部、生産工学科

D. 知ること

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MM, KAE, DS が主要な原稿テキストを書き、MM, DS が実験作品を作成し、MM, DS, KAE が図を作成しました。著者全員が原稿をレビューしました。

M.メガヘッドへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Megahed, M.、El-Aziz, KA、Sabre, D. 多層マイクロ/ナノポリマー複合材料で裏打ちされた鋼の特性評価。 Sci Rep 12、19194 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22084-5

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受信日: 2022 年 5 月 6 日

受理日: 2022 年 10 月 10 日

公開日: 2022 年 11 月 10 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22084-5

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