Технологии получения химически стойких покрытий из наночастиц оксида титана

ВЕСТНИК ЮГОРСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

_2015 г. Выпуск 3 (38). С. 7-9_

УДК 66.022.51 + 54.055

ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКИ СТОЙКИХ ПОКРЫТИЙ ИЗ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДА ТИТАНА

С. С. Павлова, М. К. Котванова, И. А. Сологубова, Н. Н. Блинова

Стремительное развитие современной техники требует повышения физико-механических и эксплуатационных свойств материалов. При увеличении количества легирующих элементов физико-механические характеристики, такие как прочность, твердость, износостойкость возрастают, но вероятность хрупкого разрушения так же увеличивается. В настоящее время, это объясняет все возрастающий интерес к покрытиям. Современные технологии получения покрытий имеют ряд ограничений, поэтому всегда актуальной является задача разработки новых энергосберегающих, простых способов получения покрытий.

Перспективными веществами в качестве защитных покрытий являются сложные оксиды d-элементов, обладающие высокой химической устойчивостью к агрессивным средам [1]. Использование наноразмерных частиц позволяет сократить расход веществ при получении покрытия, а также позволяет сохранить химические и эксплуатационные свойства покрытия.

В качестве сложных оксидов d-элементов были выбраны оксиды титана вида KxTiO2, которые так же имеют название оксидные калий титановые бронзы.

Наночастицы калий титановых бронз получали двумя методами: механосинтезом (МС) и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВ-синтез).

МА проводили в планетарной мельнице АГО-3, с числом оборотов барабана - 1780 в минуту. В качестве измельчающих тел использовали стальные шарики, диаметром 8 мм. Соотношение реакционная смесь: мелющие тела = 10:220 по массе. Состав реакционной смеси рассчитывали по уравнению TiO2+xKI = KxTiO2+x/2I2. Время синтеза составило 400 с. Продукт синтеза очищали концентрированной азотной кислотой от примеси железа, которое попадает в реакционную смесь с поверхности мелющих тел.

В основу СВ-синтеза была положена следующая реакция: xKI + 0.5Ti02 + 0.5Ti + CuO = KxTi02 + x/2I2 + Cu, так как смесь йодида калия с оксидом титана является эндотермичной, в систему вводили экзотермическую смесь - оксид меди (II) и металлический титан. Формировали таблетку, в качестве связующего использовали этанол, инициацию синтеза проводили с помощью газовой горелки в токе инертного газа. Продукт очищали концентрированной азотной кислотой от выделяющейся в ходе реакции металлической меди.

Данными методами получены продукты темно-синего цвета с металлическим блеском.

Идентификацию продуктов проводили методом рентгенофазового анализа на дифракто-метре фирмы Philips с монохроматическим Cu-Ka-излучением. Рентгенограммы полученных веществ представлены на рисунке 1.

Данные рентгенограммы соответствуют сложному оксиду состава K006TiO2. В смеси, полученной СВ-синтезом, присутствует примесь металлической меди, методом МС - диоксида титана.

Размеры частиц определяли по электронным фотографиям. Микрофотографию частиц, полученных методом СВ-синтеза получали на микроскопе Zeiss Axiovert 200 MAT, на СЭМ на электронном микроскопе «VEGA II LMU» фирмы «TESCAN» (программный комплекс «Vega TC») изображение частиц МС (рисунок 2).

Материалы, полученные СВ-синтезом и МС, имеют размеры частиц в пределах 60 нм.

Химическую инертность полученных материалов оценивали по действию на них концентрированных кислот. В таблице 1 приведены результаты исследования.

Сложные оксиды титана имеют очень низкую степень адгезии к металлу. Для повышения адгезии готовили водно-силикатную суспензию в соотношении H20:Na2SiO3:K006TiO2=1:0,1:0,1.

С. С. Павлова, М. К. Котванова, И. А. Сологубова, Н. Н. Блинова

Полученную суспензию наносили ровным слоем на металлическую подложку и высушивали в течение суток, затем подвергали термической обработке при температуре 1000-1200°С.

а б

Рисунок 1 - Рентгенограммы продуктов синтеза сложных оксидов титана: а - СВ-синтез; б - МС.

а б

Рисунок 2 - Микрофотографии наноматериалов на основе К006ТЮ2: а - МС; б - СВ-синтез.

Визуальный эффект после воздействия реагента в течение 168 часов*

Таблица 1

Реагент К0.0бТЮ2 (СВ-синтез) К0.06ТЮ2 (МС) ТЮ2

H2SO4, р= 1.83 г/см3 Изменений нет Изменений нет Полное растворение

HNO3, р= 1.48 г/см3 Изменений нет Изменений нет Частичное растворение

HCl, р= 1.19 г/см3 Изменений нет Изменений нет Частичное растворение

* - данные приведены на 0,1 г вещества

Изображение поверхности покрытия снимали на сканирующем зондовом микроскопе КАКОЕБИСАТОЯ фирмы Ж-МБТ (рисунок 3).

Технологии получения химически стойких покрытий из наночастиц оксида титана

Z,

•6626

Рисунок 3 - Рельеф поверхности защитного покрытия

Из полученных данных видно, что покрытие получается сплошным и равномерным. Химическую стойкость полученных покрытий оценивали по скорости коррозии образцов. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2

Химические свойства исследуемых образцов

Реакционная среда Скорость коррозии образца, г/мин

Без покрытия С покрытием

HNO3, р=1,48 г/см3 0,037 0,015

H2SO4, р=1,83 г/см3 0,044 0,018

HCl, р=1,19 г/см3 0,236 0,113

Полученное защитное покрытие подвергали испытаниям на адгезию методом отрыва о=120 Н/м2; отслаивание покрытия происходит при изгибе металлической подложки на 20°. Также проводили определение силы трения покоя Етр=0,70 Н (для покрытия) и = 0,38 Н (для подложки); силы трения скольжения Бтр=0,59 Н (для покрытия) и Бтр = 0,32 Н (для подложки).

Предложенная технология позволяет получить качественное защитное покрытие на металле. Данная технология проста в исполнении, не требует дорогостоящего оборудования.

Литература

1. Коррозионная стойкость оксидных щелочных бронз вольфрама, молибдена в растворах сильных электролитов.

http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_97_drobasheva.pdf_f728ce6ba0.pdf