通过原位聚合GO@SiO?纳米颗粒，提高了电沉积镍基复合涂层的耐磨性和耐腐蚀性

《Surface and Coatings Technology》：Enhanced wear and corrosion resistance properties by GO@SiO 2 in-situ polymerized nanoparticles in electrodeposited nickel-base composite coatings

　　镍基复合涂层中GO@SiO?纳米粒子的协同增强机制及其摩擦/腐蚀/疏水性能研究。

　　

张岩|顾法荣|田伟|崔恒|张航|倪琴

南京工业大学机械与动力工程学院，南京，211800，中华人民共和国

摘要

具有良好耐腐蚀性、耐磨性和疏水性的镍基表面涂层在航空航天和海洋设备中得到广泛应用。本研究通过原位聚合创新制备了GO@SiO₂纳米颗粒，并通过电化学沉积法制备了Ni-GO@SiO₂涂层。Ni-GO@SiO₂涂层的平均摩擦系数为0.45，相比纯Ni、Ni-SiO₂和Ni-GO涂层分别降低了31.98%、33.40%和51.30%。Ni-GO@SiO₂涂层的自腐蚀电流密度为1.93×10^?6 A·cm^?2，静态接触角达到152°，显示出优异的耐腐蚀性和超疏水性。GO@SiO₂纳米颗粒的引入与SiO₂纳米颗粒的机械增强效应以及GO纳米片的自润滑和不透水性能相结合，显著提高了涂层的耐磨性、耐腐蚀性和超疏水性。

引言

日益增长的工业需求要求金属部件在服役过程中的可靠性和稳定性得到提升[[1], [2], [3], [4]]。在航空航天和海洋应用中，机械部件在恶劣环境中运行，长期暴露于腐蚀性介质和机械磨损中，这会加速表面劣化并最终导致故障，从而影响操作安全和性能[[5], [6], [7]]。复合涂层技术通过改善表面性能和延长金属基材的使用寿命来应对这些挑战。其多功能性和适应性使其成为提高金属部件耐腐蚀性和耐磨性的不可或缺的方法[[8], [9], [10]]。

纳米颗粒被广泛用作增强相，以提高复合涂层的机械性能[[11], [12], [13], [14]]。氧化石墨烯（GO）具有优异的物理化学特性、导电性和自润滑能力，使其在航空航天、海洋和能源相关系统中得到广泛应用[[15], [16], [17]]。Ni–GO涂层的高耐腐蚀性源于GO的化学稳定性及其抑制离子、水和氧气等腐蚀性物质扩散的能力。张[18]通过共电沉积在不锈钢上制备了Ni–W–GO涂层，并研究了GO含量对硬度和耐磨性的影响。涂层硬度最初随着GO浓度的增加而增加，然后在0.15?g?L^?1时达到最大值688?HV，磨损率为1.66?×?10^?6?mm³·N^?1·m^?1。与Ni-W涂层相比，这相当于硬度提高了26.24%，磨损率降低了34.13%。Abu Bakar[19]通过电沉积法制备了Cu–GO涂层，并研究了GO尺寸对耐腐蚀性的影响。电化学分析表明，较小的GO片层增加了水分子扩散的活化能，从而减少了水的渗透并提高了耐腐蚀性。Pandiyarajan[20]使用超声辅助的超临界CO?电沉积法制备了Ni/GO涂层。电化学测试显示，在US–SC–CO?条件下制备的Ni/GO涂层的极化电阻（Rp）为9073.8?Ω·cm²，相比传统的Ni/GO涂层（3935.7?Ω·cm²）和纯Ni涂层（1483.7?Ω·cm²）分别提高了135%和511%。

由于GO纳米片具有较大的表面积和较强的范德华相互作用，它们容易聚集，导致涂层内部出现裂纹和空洞等缺陷，从而降低涂层性能。为了解决这个问题，采用原位聚合方法将GO和SiO₂结合在一起，合成GO@SiO₂纳米颗粒，以减少聚集并提高其在离子溶液中的分散性[21]。同时，具有固有硬度和耐磨性的SiO₂纳米颗粒与GO纳米片协同作用，增强了镍基涂层的耐磨性和耐腐蚀性。此外，球形的SiO₂颗粒物理上分隔了相邻的GO层，促进了GO@SiO₂在涂层中的均匀分布。最终，GO@SiO₂体系在共沉积过程中形成了三维互穿网络，显著提高了耐磨性、耐腐蚀性和超疏水性。

在本研究中，通过原位聚合合成了GO@SiO₂混合颗粒，并通过电化学沉积制备了具有良好耐磨性、耐腐蚀性和疏水性的Ni–GO@SiO₂复合涂层。系统比较了涂层的机械、电化学和润湿性能，并阐明了GO@SiO₂对涂层机械、腐蚀和表面性能的协同增强机制。

GO@SiO₂复合材料的合成

GO纳米片的厚度为0.6–1.0?nm。如图1所示，SiO₂和GO@SiO₂复合材料是通过原位聚合方法合成的。首先，按7:3的质量比混合四乙基正硅酸盐（TEOS）和(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷（APTES）以形成硅烷前驱体。在此体系中，TEOS作为硅源，生成Si-OH分子，而APTES提供活性官能团并改善材料的分散性。

GO@SiO₂复合材料的微观结构和形态

图3展示了GO纳米片和GO@SiO₂复合材料的XRD图谱和拉曼光谱。如图3(a)所示，GO纳米片在2θ?=?9.9°处显示出衍射峰，对应于(001)晶面[22]。GO@SiO₂中观察到的22.9°的宽特征峰对应于SiO₂的沉积，证实了GO@SiO₂复合材料的成功合成。复合材料中缺乏GO的衍射峰表明界面结合紧密。

结论

本研究通过电沉积在304不锈钢上成功沉积了表面改性的GO@SiO₂增强镍复合涂层。

(1)

在304不锈钢上实现了Ni和GO@SiO₂复合材料的共沉积，GO@SiO₂复合材料的添加使得Ni涂层的细胞状结节更加细化，Ni-GO@SiO₂复合涂层的致密性和平整度明显优于Ni-GO和Ni-SiO₂复合涂层。

(2)

在

CRediT作者贡献声明

张岩：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取、概念构思。顾法荣：撰写 – 原稿撰写、软件使用、实验研究、概念构思。田伟：数据分析。崔恒：数据可视化。张航：资源协调。倪琴：方法设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本项目得到了江苏省六大人才高峰项目（项目编号：JXQC-009）和江苏省杰出博士后计划（项目编号：2024ZB676）的支持。