بررسی دو موضوع سنتز نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ترکیب شده با پلاتین سریا به روش میکروامولسیون و نحوه عملکرد آنها در سنسور اکسیژن و افزایش مقاومت به خوردگی فولادزنگ نزن به وسیله اعمال پوشش نانوذرات دی اکسید تیتانیوم با روش سل-ژل سنتز نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم ترکیب شده با روش پلاتین و سریا به روش میکروامولسیون و نحوه عملکرد آنها
چکیده:
نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم به روش میکرو امولسیون آب در فاز آلی تهیه شدند سپس اکسید سریم و پلاتین به روش القاح به ساختار نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم وارد شدند نانو ذرات تهیه شده جهت ساخت سنسور اکسیژن برای وسایل نقلیه درونسوز، مورد استفاده قرار گرفتند. نوع فاز های کریستالی ، اندازه دانه ها و سطح مخصوص آنها توسط روشهای XRD و BET مشخص شده اند . مشخص شده است که نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم در محدوده دماهای کلسیناسیون 500-800 C دارای فاز آناتایز خالص می باشند و در دماهای بالاتر از 900 C تبدیل فاز آناتایز به روتایل آغاز می شود
نتایج نشان می دهد که نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم تجاری (P25) دارای تغییرات مقاومت کمتری است. بنابر این دارای حساسیت کمتری نسبت به نمونه های دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم سنتز شده در این کار ، می باشند وارد شده پلاتین به ساختار دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم مقاومت سنسور را فقط در بطور قابل توجهی افزایش داده است . در ناحیه گذر در مورد دو سنسور پلاتین دی اکسید تیتانیوم دی اکسید تیتانیوم و سریا – دی اکسید تیتانیوم شیب تیزی مشاهده شده است
روشهای شیمایی متعددی برای تهیه نانو ذرات در مراجع مختلف ارائه شده است که هرکدام ویژگی های مخصوص به خود را دارند
روش میکرو امولسیون یکی از روشهای موفق در زمینه تهیه نانوذرات اکسیدی می باشند . انجام شدن واکنش شیمیایی درون مایسل های معکوس یا اصطلاحا نانور اکتور ها که منجر به کنترل اندازه نهایی ذرات می شود نکته قابل توجه این روش در تهیه نانو ذرات است .
در کار تحقیقاتی حاضر نانوذرات دی اکسید تیتانیوم از طریق هیدرولیز تیتانیوم ایزوپروپوکساید در میکروامولسیون آب در فاز آلی که شامل تریتون 100 ، سیکلوهگزان و اب می باشد ، تهیه شده اند . سپس به روش القاح هگزا لکلروپلاتینیک اسید و یا نیترات سدیم به عنوان پیش ماده های پلاتین و سریا به ساختار دی اکسید تیتانیوم وارد شده اند .
مقدمه :
برای افزایش حساسیت و انتخاب گری ، یکی از روشهایی که به طور گسترده استفاده می شود اضافه کردن فلزهای فعال از نظر کاتالیستی مانند pt.pd و یا حتی Au است.
دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک اکسید فلزی نیمه هادی در میان سایر نیمه هادی های مشابه بدلیل پایداری شیمیایی در دماهای عملیاتی بالا مورد توجه قرار گرفته است. بنابر این این ماده در ساخت سنسور های اکسیژن برای وسایل نقلیه درونسوز ، مورد استفاده قرار می گیرد .مشاهده شده است که خصوصیات حسی سنسور اکسیژن دی اکسید تیتانیوم با اضافه شدن پلاتین به عنوان کاتالیست به ساختار دی اکسید تیتانیوم بهبود یافته است . سرپا نیز به عنوان کاتالیست بسیار مورد استفاده قرار می گیرد و دارای خصوصیات الکترو شیمیایی در ذخیره و یا ازاد سازی اکسیژن با تغییر اتمسفر محیط می باشد . بنابراین سریا می تواند کاتالیست مناسبی برای بهبود حساسیت در اکسید تیتانیوم به اکسیژن باشد.
مقدمه – ادامه
از مواد ساخته شده سنسور تهیه می شود و سپس در سیستم سنسور اکسیژن مورد آزمایش قرار گرفتند به دلیل وابستگی اکسید های فلزی نیمه هادی به هدایت الکتریکی در محیط هایی با ترکیب های گازی ، از انها در سنسور های گاز استفاده می شود .
هدف اصلی این کار اثر افزایش افزودنی های بر روی خصوصیت الکتریکی و حسی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در شرایط دماهای عملیاتی بالا می باشد .
روش آزمایش :
تیریتون 100 بعنوان ماده فعال کننده سطح ، سیکلوهگزان بعنوان یک هلال آلی ،تیتانیوم ایزوپروپوکساید بعنوان پیش ماده نانوذرات دی اکسید تیتانیوم ، هگزاکلروپلاتینیک ، اسید و نیترات سریم که همگی از شرکت مرک تهیه شده اند ، مورد استفاده قرار گرفته اند. . آب مورد استفاده در آزمایش ها دو لار تقطیر شده و دیونیزه می باشد. . محلول میکروامولسیون از طریق حل کردن تیریتون 100 در سیکلوهگزان و بدنبال آن با اضافه کردن مقدار مشخصی آب مقطر در دمای اتاق (25 C ) و تحت همزدن مداوم تهیه شده است ظاهر شفاف محلول تهیه شده نشان دهنده تشکیل میکروامولسیون می باشد. سپس تیتانیوم ایزوپروپوکساید به محلول فوق اضافه شد . نسبتهای مختلفی از مواد استفاده شده ، اما محلولی که شامل %2M ماده فعال سطحی ، %4M آّب و %2M تیتانیوم – ایزوپروپوکساید بود ، بهترین نتیجه را داد. رسوب ذرات دی اکسید تیتانیوم توسط سانتریفوژ با دور 10000 دور بر دقیقه به مدت 10 دقیقه جدا گردید و سپس جهت خارج کردن مواد آلی و مواد فعال سطح از ذرات رسوب ، چندین بار با پروپانول شستشو داده شد. سپس ذرات در دمای 100 درجه سانتی گراد به مدت 12 ساعت درون آوند خشک شده اند و در دماهای مختلف به مدت 3 ساعت تکلیس شدند.
فاز کریستالی نمونه های تهیه شده توسطXRD مشخص شدند. اندازه ای کریستالی از روی پیک های XRD و توسط فرمول شرر می توانند محاسبه شوند. مساحت سطح مخصوص ذرات از طریق جذب نیتروژن و استفاده از یک آنالایزر مساحت سطح ، (CHEMBET 3000) اندازه گیری شده است.%1 وزنی پلاتین و 10% وزنی سریا توسط حل کردن مقدار مشخصی از هگزاکلروپلاتینیک اسید و نیترات سریم در آب به ساختار نانوذرات دی اکسید تیتانیوم وارد شدند. پودرها در دمای 100 درجه سانتی گراد خشک و سپس در دمای 500 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت کلسینه شدند. برای تهیه سنسورها فیلم ضخیمی از پلاتین – دی اکسید تیتانیوم و سریا- دی اکسید تیتانیوم روی پایه ایزوپروپوکساید از آلومینا که دارای الکترودهای طلا می باشد، قرار داده شدند. سنسورها دردمای 100 درجه سانتی گراد به مدت 2 ساعت خشک و در دمای 800 درجه سانتی گراد و به مدت 2 ساعت کلسینه شدند. و سپس مورد آزمایش قرار گرفتند.
دبی های مختلفی از مونوکسید کربن در گاز آرگون و هوا جهت شبیه ساری گازهای خروجی اتومبیل مخلوط شدند که هر کدام نشان دهنده یک مقدار از γ هستند.γبصورت نسبت هوا به سوخت به همان نسبت در حال استوکیومتری تعریف شده است .
نتایج بحث:
در شکل 2 نمونه های XRD ذرات دی اکسید تیتانیوم تهیه شده به روش میکروامولسیون و کلسینه شده در دماهای مختلف نشان داده شده است. شکل کریستالی فاز آناتایز دی اکسید تیتانیوم در دمای 500 درجه سانتی گراد تشکیل شده است. این فاز تا دمای 800 درجه سانتی گراد نسبتا پایدار است و هیچ فاز روتایلی تا این دما مشاهده نشده است. در دمای کلسیناسیون 900 درجه سانتی گراد یک تغییر فاز ناگهانی از آناتایز به روتایل رخ داده است. بطوری که در این دما تنها فاز روتایل مشاهده شده است. در کارهای انجام شده توسط سایر محققین گزارش شده است که فاز آناتایز دی اکسید تیتانیوم در محدوده دماهای کلسیناسیون 600-300 سانی گراد تشکیل می شود. افزایش دمای کلسیناسیون تا حدود 700-800 درجه سانتی گراد منجر به فاز کریستالی دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم و همچنین افزایش اندازه ذرات آن می شود. در محدوده دمایی 700-900 درجه سانتی گراد تبدیل فاز آناتایز به روتایل اتفاق می افتد.
اندازه کریستالی ذرات از روی پیک های XRD و توسط فرمول شرر محاسبه شده اند. اندازه کریستالی نمونه های دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانیوم کلسینه شده در دماهای مختلف در جدول 1 نشان داده شده است.
همانطور که در این جدول مشاهده می شود در دمای 500 درجه سانتی گراد فاز آناتایز دی اکسید تیتانیوم با اندازه 6.3 نانومتر تشکیل شده است. با افزایش دمای کلسیناسیون اندازه کریستالی افزایش یافته است . در جدول 1 سطح مخصوص ذرات دی اکسید تیتانیوم همراه با اندازه کریستالی که از روی مساحت سطح مخصوص محاسبه شده (با فرض کروی بودن ذرات) نیز گزارش شده است. همانطور که مشاهده می شود با افزایش دمای کلسیناسیون اندازه ذرات افزایش و مساحت سطح مخصوص آنها کاهش یافته است.
جدول 1 نشان می دهد اندازه ذراتی که از روی مساحت سطح مخصوص تخمین زده شده اند. بزرگتر از اندازه ایزوپروپوکساید است که از روی پیک های XRD بدست امده اند. این موضوع نشان دهنده تجمع ذرات هنگام عملیات حرارتی و از بین رفتن بخشی از سطح در اثر این تجمع می باشد.
الگوهای XRD برای نمونه های سریا-دی اکسید تیتانیوم و پلاتین- دی اکسید تیتانیوم که در دمای 800 درجه سانتی گراد به مدت 3 ساعت کلسینه شده اند. در شکل 3 نشان داده شده است.
در الگوی XRD نمونه سریا –دی اکسید تیتانیوم پیک های مربوط به فاز آناتایز دی اکسید تیتانیوم و فاز کریستالی سریا مشاهده می شود. برای این نمونه اندازه کریستالی دی اکسید تیتانیوم از فرمول شرر 9.2nm و اندازه کریستالی سریا 5.3nm می باشد. مساحت سطح مخصوص نمونه نیز 62 متر مکعب بر گرم می باشد. اندازه کریستالی نمونه سریا- دی اکسید تیتانیوم کمتر از نمونه دی اکسید تیتانیوم و مساحت سطح مخصوص آن بیشتر از دی اکسید تیتانیوم می باشد.(جدول 1 ملاحظه شود) . در الگویXRD نمونه پلاتین – دی اکسید تیتانیوم هیچ پیکی مربوط به پلاتین مشاهده نشده است و همانطور که ملاحظه می شود تمام پیک ها مربوط به دی اکسید تیتانیوم می باشد. اندازه کریستالی دی اکسید تیتانیوم در نمونه پلاتین – دی اکسید تیتانیوم 10.5nm است . در مقایسه با اندازه کریستالی نمونه های دی اکسید تیتانیوم (15.7nm) تحت شرایط کلسیناسیون یکسان، کاهش یافته است. این موضوع نشان می دهد که پلاتین و سریا از رشد ذرات دی اکسید تیتانیوم جلوگیری کرده اند.
نمودارهای مقاومت سنسور بر حسب لاندا(گذر از ناحیه غنی به ناحیه فقیر از سوخت) در دمماهای مختلف برای سنسور دی اکسید تیتانیوم در شکل 4 نشان داده شده است. گذر از ناحیه غنی به ناحیه فقیر از سوخت با تغییر مقدار لاندا از محدوده 1.4-0.8 حاصل می شود. همانطور که در شکل 4 مشاهده می شود، گذر از ناحیه غنی به ناحیه فقیردر مورد سنسور دی اکسید تیتانیوم حدودا در =1 اتفاق می افتد.
از آنجایی که فاز آناتایز دی اکسید تیتانیوم یک نیمه هادی نوع n می باشد ، بنابر این با افزایش ، مقاومت نیز افزایش یافته است . علاوه بر این ، افزایش دمای عملیاتی سنسور از 600 C به 800 C منجر به کاهش قابل توجهی در میزان مقاومت شده است .
تغییرات مقاومت
تغییرات مقاومت با γ برای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تهیه شده به روش میکروامولسیون در این کار تحقیقاتی با نمونه تجاری آن (degussa p25) مقایسه شده اند و در شکل 5 نشان داده شده است . در این شکل مشاهده می شود که در مورد نمونه تجاری (p25) تفاوت قابل ملاحظه ای بین مقاومت سنسور در ناحیه غنی از سوخت (1 >γ) با مقاوت سنسور در ناحیه فقیر از سوخت (1 >γ) وجود ندارد.
شکل5: مقایسه بین نحوه عملکرد حسگر TiO2 تولید شده به روش میکروامولسیون و TiO2 تجاری (P25) در دمای عملیاتی 700 C
در شکل 6و7 تغییرات مقاومت بر حسب γ در دماهای مختلف برای سنسور های سریا – دی اکسید تیتانیوم و پلاتین دی اکسید تیتانیوم نشان داده شده است .
در شکل 8 تغییرات مقاومت بر حسب γ برای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم اکسید تیتانویم خالص ، پلاتین – دی اکسید تیتانیوم و سریا – دی اکسید تیتانیوم در دو دمای مختلف نشان داده شده است
شکل 6 : نحوه پاسخ حسگر ساخته شده از نانو ذرات Pt/TiO2 به تغییرات در دماهای عملیاتی 600 C و 800 C
شکل 7 : نحوه پاسخ حسگر ساخته شده از نانو ذرات Pt/TiO2 به تغییرات γ در دماهای عملیاتی 500 C و 800 C
همان طور که در شکل 8 مشاهده می شود با اضافه شدن پلاتین به دی اکسید تیتانیوم مقاومت سنسور در ناحیه غنی از سوخت γ کمتر از مقاومت دی اکسید تیتانیوم خالص در همان ناحیه شده است و در ناحیه فقیر از سوختγ بیشتر از مقاومت دی اکسید تیتانیوم شده است . تغییرات مقاومت در γ (ناحیه گذر) برای دی اکسید تیتانیوم در حدود 10 مرتبه است. در حالی که پلاتین دی اکسید تیتانیوم تغییراتی درحدود 100 مرتبه در ناحیه گذر نشان می دهد. بنابراین منحنی مفاومت برحسب لندا در مورد پلاتین دی اکسید تیتانیوم دارای شیب تیزی است. منحنی مقاومت برحسب لندا در مورد سنسور تمام دماهای عملیاتی می باشد.
افزایش مقاومت به خوردگی فولاد زنگ نزن بوسیله ا عمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با روش سل – ژل
پوشش نانوذرات Tio2 به دلیل دارا بودن خواص اپتیکی ، مقاومت به اکسیداسیون ، خوردگی و سایش امروزه به میزان زیادی مورد توجه قرار گرفته است.در این پروژه پوشش نانوذرات Tio2 بوسیله روش سل – ژل تحت فرایند غوطه وری بر روی فولادزنگ نزن 316Lاعمال شده است. ساختارمورفولوژِی و ترکیب پوشش بوسیله XRD,SEM ,AFM مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین خواص خوردگی پوشش در محلول 3,5%NACL بوسیله روشهای الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون تافلی و امپدانس ارزیاببی شده است نکته قابل توجه همگن ، یکنواخت و عاری از ترک بودن پوشش است. همچنین پوشش نانوذرات Tio2 اعمال شده روی فولادزنگ نزن ک 316L مقاومت به خوردگی را از 132,135 به 16412,096 (Kcm2) به میزان تقریبا 120 برابر بهبود بخشیده است.
چکیده :
مقدمه :
پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم داریا کاربرد بسیار وسیعی می باشد که عبارتند از: فیلترهای ماوراء بنفش برای صنایع اپتیک و مواد بسته بندی ، پوشش ضد انعکاس در سلول های خورشیدی ، فتوکاتالیست برای تصفیه آب و هوا، آند در باتری ها ، پوشش های شفاف و خود تمیز کننده برای کاشی ها و شیشه ها ، سنسورهای رطوبت ، سنسورهای گازی ، پوشش های مقاوم در برابر خوردگی و غیره. البته با ایجاد پوشش نانو ساختار تیتانیوم تمام خواص مذکور به میزات قابل توجهی بهبود پیدا می کند . روشهای مختلفی برای تولید نانوساختار اکسید تیتانیوم وجود دارد. همانند اسپاترینگ ، CVD ، لیزر پالسی و روش سل – ژل . در یان میان روش سل – ژل به دلیل کنترل ترکیب شیمیایی در سطح مولکولی و دمای اعمالی پایین ننسبت به روش های دیگر دارای مزایای ویژه ای است ،
در این مقاله پیش ماده آلکوکسیدی ، بدلیل در برداشتن خواص فیزیکی و شیمیایی مانند گروههای هیدروکربنی با طول زنحیره بالا و قابیلت مخلوط شدن در حد ملکولی با حلال های آلی و ایجاد فیلم آری از ترک انتخاب گردیده است. علاوه بر آن میکروساختار فیلم مذکور همانند سایز حفره ها و حجم آنها بوسیله تغییر پارامترهای سل – ژل قابل کنترل می باشد.
مهمترین نکته در حفاظت از خوردگی فلزات:
وابسته به دو نوع فصل مشترک می باشد:
1- فصل مشترک بین فلز و پوشش
2- فصل مشترک بین پوشش و محیط.
بنابراین کنترل واکنش بین این فصل مشترک ها هنگامی
که در حد ملکولی انجام پذیرد ، تاثیر بالایی در حفاظت ازخوردگی ایجاد شده توسط پوشش اعمالی دارد.
در این مقاله پیش ماده آلکوکسیدی ، بدلیل در برداشتن خواص فیزیکی و شیمیایی مانند گروههای هیدروکربنی با طول زنحیره بالا و قابیلت مخلوط شدن در حد ملکولی با حلال های آلی و ایجاد فیلم آری از ترک انتخاب گردیده است.
بدلیل کاربرد بسسیار وسیع 316L در صنعت ، پوشش لایه نازک نانوساختار اکسید تیتانیوم به منظور بهبود خواص خوردگی برروی آن اعمال شده است و خواص ساختاری لایه نازک توسط XRD,SEM ,AFM ارزیابی شده است . همچنین منحنی پلاریزاسیون تافلی و امپدانس برای بررسی اثر پوشش های فوق الذکر برروی خواص خوردگی فولادزنگ نزن 316L مورد استفاده قرار گرفته است.
روش تحقیق :
2-1 سنتز محلول پوشش دهی :
پیش ماده ا ولیه آلکوکسیدی تترا- پوتیل ارتو تیتانات(TBT) همانطور که در مقالات گفته شده است. مطابق زیر در تهیه محلول سل – ژل استفاده می شود.
ابتدا 55 میلی لیتر اتانول و 5 میلیل لیتر اتیل استو استات(EAcAc) را در دمای اتاق به مدت 5 دقیقه با هم مخلوط کرده و سپس 13 میلی لیتر TBT را به محلول اضافه کرده و محلول به مدت 30 دقیقه به شدت همزده می شود. ، بعد از انجام این مراحل به منظور شروع واکنش هیدرولیز درصد کمی آب مقطر بصورت قطره قطره در مدت 30 دقیقه به محلول در حال همزدن اضافه شده است . ، پس از اضافه کردن آب مقطرهمزدن محلول به مدت 6 ساعت ادامه یافت ، برای انحام واکنشهای پلیمری محلول تیه شده در نهایت به مدت 6 ساعت پیرسازی می شود. . محلول نهایی دارای رنگ زرد ، شفاف ، و عاری از هرگونه رسوب می باشد. شماتیم مراحل تهیه سل و ا یجاد پوشش در شکل یک نشان داده شده است.
2-2 اعمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم :
زمینه مورد استفاده ورق 316L با ابعاد 50*30*2 میلی متر است که بصورت زیر تحت آماده سازی سطحی قرار گرفته است :
سنباده زنی با شماره های 320 تا 350
پولیش با پودرهای 0.1 تا 0.3 میکرون اکسید آلومینوم
تمیزکردن آلتراسونیکی نمونه در استون و الکل به مدت 5 دقیقه ، البته بعد از انجام هر مرحله نمونه ها با آب مقطر کاملا شستشو داده شده اند. بعد از آماده سازی سطحی نمونه ها ، پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بوسیله روش غوطه وری و با سرعت 140 میلی متر بر دقیقه داخل محلول فرو برده شده وبه مدت 1 تا 5 دقیقه نگه داشته شده سپس نمونه با همان سرعت اولیه 140 میلی متر با دقت و بدون کمتیرن لرزش از محلول بیرون آورده شده اند.
بعد از خشک شدن طبیعی در جریان هوای اتاق نمونه ا به مدت 30 دقیقه در دمای 120 ددرجه سانتی گراد قرار داده شده اند. این مراحل چندین بار تکرار می شود تا به ضخامت مورد نظر دست یابیم .
در مرحله نهایی به منظور حذف ترکیبات آلی باقیمانده ، نمونه ها به مدت یکساعت در دمای 550 درجه سانتی گراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفته اند. . قابل ذکر است، سرعت عملیات حرارتی 1 درجه سانتی گراد بر دقیقه است . این دمای پایین آن یلینگ اجازه می دهد که ترکیبات آلی با حداقل ایجاد تنش و بدون ایجاد ترک در اکسید تیتانیوم از پوشش خارج شوند.
بررسی خواص فازی پوشش بوسیله تفرق اشعه ایکس (XRD) پوشش اکسید تیتانیوم با اشعه Cu Ka radiation که (K=105406 A) از زاویه 10 دتا 60 درجه صورت گرفته است . تصاویر حاصل از SEM , AFM بریا بررسی مورفولوژی ، یکنواختی همگنی و عاری از ترک بودن پوشش موردد استفاده قرار گرفته است.
همچنین توسط تصاویر توپوگرافی AFM و نرم افزار DUALSCOPE ضخامت لایه های پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم اعمال شده بر روی سطح فولادزنگ نزن 316L اندازه گیری شده است.
روشهای ارزیابی پوشش ها :
رفتار خوردگی فولادزنگ نزن زنگ نزن 316L پوشش داده شده و بدون پوشش توسط منحنی های تافلی و امپدانس در سل شامل سه االکترود کاری ، مرجع ، کمکی و حاوی 250mm محلول 3,5 درصد NACL با استفاده از پتانسیو استات EG&G ، Instruments inc model 273 و نرم افزار آنالیزگر مورد بررسی قرار گرفته است . اندازه گیری های تافلی در محدودهد 250 میلی ولت نسبت به پتانسیل خوردگی مدار باز با سرعت 0.5 میلی ولت بر ثانیه با استفاده از الکترود مرجع کالومل (sce) و الکترود کمکی پلاتین در دمای اتاق انجام شده است . البته قبل از اندازه گیری خواص الکتروشیمیایی ، نمونه ها به مدت 30 دقیقه در محلول 3,5 درص NACL به منظور پایدارشدن نگه داتری شده اند.
پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم کاملا شفاف و دارای همگنی و یکنواختی بالایی است و هیچ تاثیری بر روی کیفیت ظاهری سطح زمینه ندارد. این پوشش دارای چسبندگی خوب و ضخامت نانومتری می باشد که تحت سیکل عملیات حرارتی مناسب بر روی سطح 316 L اعمال شده است.
نتایج و تحلیل نتایج:
3-1 : بررسی خواص پوشش:
منحنس XRD پوشش اکسید تیتانیوم نشان داده شده در شکل 2 نشان دهنده حضور فازهای اکسید تیتانیوم در دمای 550 درجه سانتی گراد است. همانطور که دیده می شود اکسید تیتانیوم شامل دو فاز آناتال و روتیل در دمای 550 درجه سانتی گراد است، و مطابق با مقالات ارائه شده در این زمینه دارای بیشترین مقدار فاز آناتاز در این دماست.
از طرفی بدلیل اینکه فاز آناتاز دارای خواص فیزیکی و شیمیایی مناسب و همچنین پایداری در دماهای پایین تر نسبت به فاز روتیل می باشد ، به عنوان فاز اصلی پوشش و دمای 550 درجه سانتی گراد بعنوان دمای حرارتی نهایی انتخاب گردیده است. در شکل 2 پیک های مربوط به زوایای 25,3 و 47,4 نشان دهنده فاز آناتاز اکسید تیتانیوم اعمال شده بر روی سطح 316L است .
شکل 3 نشان دهنده عکس SEM پوشش نانو ساختار اکسید تیتانیوم بر روی سطح 316L در بزرگنمایی 60000 است بدلیل کوچک بودن ذرات اکسید تیتانیوم تصویر سطح را کاملا صاف و همگن نشان داده است. و عکس مزبور با مقالات ارائه شده در این زمینه کاملا همخوانی دارد. به منظور بررسی دقیق تر سطح می توان با استفاده از میکروسکوپ AFM توپوگرافی و ساختار سطحی را مورد بررسی قرار داد.
در شکل 4 همگنی و یکنواختی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بر روی سطح فولادزنگ نزن 316L به خوبی در تصویر AFM قابل مشاهده است . از انجائیکه سطح فولادزنگ نزن توسط سرامیک اکسید کرم Cr2o3 پوشیده شده و دارای اختلاف ضریب انبساط حرارتی کم با اکسید تیتانیوم است، در نتیجه بدسات آوردن پوشش نهایی با همگنی و یکنواختی بالا بر روی فولادزنگ نزن 316L نسبت به فلزات دیگر مانند فولاد ساده کربنی ساده تر است و تحت ضخامت های کمتر می توان به این همگنی در ابعاد نانومتری دست یافت.
زبری سطح برحسب ضخامت های مختلف پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با استفاده از AFM بدست آمده است. زبری سطح توسط محور Z و بصورت نمادین در هنگام بدست آوردن تصویر AFM نشان داده می شود که بصورت گراف در شکل 5 مشاهده شده است.
همانطور که در این منحنی دیده می شود با فزایش ضخامت پوشش تا 475mm نواقص لایه زیری توسط لایه های بعدی پوشیده شده و این امر زبری سطح را از 5 میکرومتر به 22 نانومتر حدود 230برابر کاهش داده است. همچنین با استفاده از تصویر AFM و منحنی XRD اندازه ذرات اکسید تیتانیوم در محدوده 50-80 نانومتر بدست آمده است.
منحنی پلاریزاسیون تافلی نمونه های پوشش داده شده و بدون پوشش 316L در محلول NACL%3,5 ، نشان داده شده در شکل 6 گواه نجیب تر شدن 80 درصدی پتانسیل مدار باز نمونه حاوی پوشش با ضخامت 475 mm در مقایسه با نمونه بدون پوشش 316L است. البته قابل ذکر است منحنی های پلاریزاسیون تافلی نمونه ها بعد از غوطه وری به مدت 30 دقیقه در محلول NACL%3,5 ، رسم شده است. پتانسیل مدارباز 316L پوشش داده شده با نانوذرات اکسید تیتانیوم حدود 60 میلی ولت مثبت تر است نسبت به 316Lبدون پوشش و این افزایش پتانسیل پوشش به سمت مقادیر مثبت تر نشان دهنده افزایش مقاومت به خوردگی پوشش اعمالی است. همچنین شدت جریان خوردگی (Icorr) در اثر اعمال پوشش از 1200 به 12,9 ، حدود 100 برابر کاهش یافته و افزایش R از 132,135 به 16412,096 ، میزن تقریبا 120 برابر تاکید کننده افزایش مقاومت به خوردگی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بر روی سطح 316L است.
3-2 بررسی خواص مقاومت به خوردگی :
در شکل 7 تغییرات OCP برحسب تعداد لایه های اکسید تیتانیوم ، نشان دهنده نجیب تر شدن پتانسیل مدارباز پوشش اکسید تیتانیوم نسبت به فولادزنگ نزن بدون پوشش است. در این شکل پوشش به ضخامت 475nm داری بیشترین پتانشیل مدارباز OCP است. افزایش پتانسیل بدلیل تغییر در سینتیک واکنش های آندی و کاتدی است و از طرفی مطابق جدول 1 تغییر در شیب کاتدی ، نسبت به شیب اندی واضح تر می باشد. در نتیجه پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با تغییر در شیب کاتدی و آندی و بالتبع تغییر در سینتیک واکنش کاتدی و اندی در پتانسیل های نجیب تر شده است. البته با اعمال پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم واکنش آندی نیز تغییر کرده و همانطور که می دانیم واکنش کاتدی احیاء آب است. اما واکنش آندی مربوط به سطح در تماس با الکترولیت ، یعنی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم است.
در اثر حضور نانوذرات اکسید تیتانیوم در پوشش انجام واکنشها در اشل کوچکتر، بالتبع با سرعت بیشتری انجام می پذیرد. البته این امر از دو جنبه قابل بررسی است:
نانوذرات منجر به افزایش شدت واکنشهای آندی ، کاتدی می شوند.
بخاطر همگنی و یکنواختی پوشش و همچنین شاید کنترل نواقص ناشی از اعمال پوشش در حد ملکولی بوسیله نانوذرات اکسید تیتانیوم ، منجر به افزایش چشمگسر خواص خوردگی شده است. احتمالا حضور نواقص نانومتری در پوشش همانند فیلتر ، از انجام شدن واکنش های آندی و همچنین شدت آنها به میزان زیادی می کاهد.
تغییرات شدت جریان خوردگی بر حسب ضخامت لایه های اکسید تیتانیوم در شکل 8 نشان دهنده کاهش شدت جریان خوردگی از 1200 به 12,9 در ضخامت 475nm نسبت فولادزنگ نزن شده است. در حالت تک لایه شدت جریان خوردگی 0,37 برابر نسبت به فولادزنگ نزن بدون پوشش کاهش یافته است و با افزایش ضخامت لایه تا 475nm شدت جریان خوردگی با شدت بیشتری کاهش پیدا می کند. البته با اعما ل لایه دوم و سوم نواقص ناشی از پوشش زیرین توسظ نانوذرات اکسید تیتانیوم به خوبی پوشیده شده است .
همچنین با افزایش ضخامت پوشش اکسید تیتانیوم عبور الکترون و همچنین انجام واکنشهای الکتروشیمیایی با شدت کمتری و یا اصلا انجام نمی پذیرد . اما هنگامی که ضخامت پوشش از 475nm برای حالت 4 لایه صورت می پذیرد. از آنجائیکه چسبندگی پوشش اعمال شده در فرایند سل – ژل بصورت فیزیکی وابسته به نواقص سطحی می باشد. در نتیجه با افزایش ضخامت پوشش اعمالی تردتر و همچنین بخاطر حضور فشار ناشی از خارج شدن ناشی از ترکیبات آلی در حین عملیات حرارتی جسبندگی پوشش کاهش یافته و تنش ایجاد شده نیز منجر به افزایش نواقص و ترک در پوشش نهایی شده است. در نهایت تمام این عوامل منجر به افزایش شدت جریان خوردگی ، پوشش ضخامت 628nm گردیده است. منحنی شکل 9 نیز تصدیق کننده تغییرات شدت جریان خوردگی بر حسب ضخامت است.
در منحنی امپدانس ارائه شده در شکل 10 حضور حلقه بزرگو همچنین افزایش R نشان دهنده بهبود مقاومت به خوردگی بالای پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم است. از طرفی مطابق نتایج بدست آمده مکانیزم افزایش مقاومت به خوردگی پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بخاطر عملکرد پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم بعنوان پوشش خازنی و به تاخیرانداختن واکنشهای آندی است.
مدار معادل پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم در شکل 11 نشان داده شده است. در این شکل R2,C مربوط به پوشش کامل نانوذرات اکسید تیتانیوم برروی سطح فولادزنگ نزن 316L است. و R1 نیز مربوط به مقاومت محلول در تماس با پوشش است. بنابراین پوشش نانوذرات اکسید تیتانیوم با ضخامت 475nm و کیفیت سطحی بالا ، همانند یک خازن با ظرفیت بالا، ،از انتقال الکترونها و انجام واکنشهای الکتروشیمیایی جلوگیری کرده و یا شدت آنها را کاهش می دهد. که در هر دو صورت مقاومت به خوردگی فولادزنگ نزن 316L را در محیط NACL%3,5 را از 132,135 به 16412,096 به میزان 120 برابر بهبود بخشیده است.