Επιφανειακή διάβρωση και τεχνολογίες προστασίας για υλικά σε σκληρά περιβάλλοντα: Διάβρωση και προστασία σε θαλάσσιες ατμοσφαιρικές συνθήκες

Τα προηγμένα υλικά αποτελούν τη βάση και τη διασφάλιση για την επίτευξη υψηλής απόδοσης, υψηλής αξιοπιστίας, ελαφρού σχεδιασμού και μικρογραφίας σε εξοπλισμό αιχμής, όπως συστήματα πυρηνικής ενέργειας, πλοία, οχήματα εκτόξευσης, δορυφόρους και αεροδιαστημικά οχήματα. Με την υλοποίηση μεγάλων στρατηγικών έργων-συμπεριλαμβανομένης της θαλάσσιας μηχανικής, διαστημικοί σταθμοί, βαθιά-εξερεύνηση διαστήματος, βαριά-οχήματα εκτόξευσης ανύψωσης, μεγάλα αεροσκάφη, συστήματα μεταφοράς διαστημικού εδάφους και πυρηνικής ενέργειας{5} απαιτούνται ολοένα και περισσότερο βασικά στοιχεία για να λειτουργούν αξιόπιστα για μεγάλη διάρκεια ζωής υπό ακραίες συνθήκες, όπως υψηλή ταχύτητα, βαριά ακτινοβολία, υψηλή θερμοκρασία. Κάτω από αυτές τις σκληρές συνθήκες συντήρησης, η διάβρωση και η φθορά του υλικού είναι οι κύριοι μηχανισμοί αστοχίας και έχουν γίνει σημαντικά σημεία συμφόρησης που περιορίζουν την ανάπτυξη-εξοπλισμού υψηλής ποιότητας.

Τα τελευταία χρόνια, εκτεταμένη διεθνής έρευνα έχει διεξαχθεί σε τέσσερις βασικούς τομείς: διάβρωση και προστασία, μείωση τριβής και λίπανση, αντοχή στη φθορά και ενίσχυση της επιφάνειας και επισκευή και ανακατασκευή. Οι μελέτες έχουν επικεντρωθεί σε μηχανισμούς διάβρωσης και τεχνολογίες προστασίας για θαλάσσιες ατμόσφαιρες, περιβάλλοντα βαθιάς-θαλάσσιας, περιοχές ψυχρών οροπεδίων και περιβάλλοντα πυρηνικής ακτινοβολίας. Παράλληλα, βιομηχανίες όπως η αεροδιαστημική και η γεωλογική γεώτρηση έχουν προχωρήσει σε τεχνολογίες μακράς-λίπανσης στερεών, λίπανσης στερεών υψηλών-θερμοκρασιών και σκλήρυνσης επιφανειών. Για να παραταθεί η διάρκεια ζωής του εξοπλισμού, ο τομέας της ανακατασκευής έχει επίσης καθιερωθεί και ερευνηθεί ευρέως.

Αυτή η σειρά άρθρων θα επανεξετάσει την τρέχουσα κατάσταση εφαρμογής και τις τάσεις ανάπτυξης των τεχνολογιών προστασίας επιφάνειας υλικών κάτω από σκληρά περιβάλλοντα από πολλαπλές προοπτικές.

Ξεκινάμε μεέρευνα για τη διάβρωση και την τεχνολογία προστασίας.

Τα ζητήματα διάβρωσης προκύπτουν παράλληλα με το σχεδιασμό του υλικού και έχουν επηρεάσει από καιρό τη διάρκεια ζωής. Καθώς ο εξοπλισμός-υψηλού επιπέδου συνεχίζει να εξελίσσεται, τα λειτουργικά περιβάλλοντα γίνονται όλο και πιο αυστηρά, θέτοντας υψηλότερες απαιτήσεις για την προστασία υλικών. Ο στρατιωτικός εξοπλισμός, ως βασικό συστατικό της εθνικής άμυνας, χαρακτηρίζεται από διαφορετικούς τύπους, μεγάλες ποσότητες, μεγάλες περιόδους αποθήκευσης και πολύπλοκα λειτουργικά περιβάλλοντα. Ο εξοπλισμός μεγάλης κλίμακας-όπως αεροσκάφη, πλοία και εγκαταστάσεις πυρηνικής ενέργειας απαιτείται συνήθως για να λειτουργούν αξιόπιστα για μεγάλες περιόδους υπό σκληρές συνθήκες. Η διάβρωση ακόμη και ενός μόνο εξαρτήματος μπορεί να δημιουργήσει σημαντικούς κινδύνους για την ασφάλεια και να θέσει σε κίνδυνο τη συνολική απόδοση του συστήματος.

Μεταξύ των φυσικών περιβαλλόντων, το θαλάσσιο περιβάλλον είναι ιδιαίτερα επιθετικό όσον αφορά τη διάβρωση. Οι συμβατικές μεμβράνες οξειδίου παρέχουν περιορισμένη προστασία σε θαλάσσιες συνθήκες. Σύμφωνα με ελλιπή στατιστικά στοιχεία, οι απώλειες διάβρωσης στη θάλασσα αντιπροσωπεύουν περίπου το ένα-ένα τρίτο των συνολικών απωλειών από διάβρωση υλικών, υπερβαίνοντας κατά πολύ αυτές σε άλλα περιβάλλοντα. Σε θαλάσσια περιβάλλοντα, η διάβρωση προκαλείται από μηχανική διάβρωση, ηλεκτροχημική διάβρωση και βιολογική διάβρωση. Οι αντίστοιχες στρατηγικές προστασίας εμπίπτουν σε τρεις κύριες κατηγορίες: κατάλληλη επιλογή υλικού και δομική σχεδίαση, προστασία επιφανειών υλικών και καθοδική προστασία με χρήση ρεύματος ή θυσιαζόμενων ανοδίων.

Επιπλέον, η γήρανση των υλικών, η αιολική διάβρωση και η λειαντική φθορά σε πολικές-περιοχές και περιοχές μεγάλου υψομέτρου, καθώς και οι προκλήσεις υψηλής-θερμοκρασίας, υψηλής-πίεσης και ακτινοβολίας στους πυρηνικούς αντιδραστήρες απαιτούν επίσης ιδιαίτερη προσοχή.

Η θαλάσσια ατμοσφαιρική διάβρωση προκαλείται κυρίως από λεπτές υγρές μεμβράνες που σχηματίζονται υπό υγρές ατμοσφαιρικές συνθήκες και είναι πιο διαδεδομένη σε θερμές και υγρές παράκτιες περιοχές. Όταν υπάρχουν όξινοι ρύποι ή σωματίδια αλατιού σε θαλάσσιες ατμόσφαιρες υψηλής-θερμοκρασίας και υψηλής-υγρασίας, η διάβρωση επιταχύνεται περαιτέρω. Τέτοια περιβάλλοντα μπορούν να οδηγήσουν σε διάβρωση μεταλλικών υποστρωμάτων-για παράδειγμα, τοπική διάβρωση σε γεμιστήρες ελαφρών όπλων που εκτίθενται σε θαλάσσιες ατμόσφαιρες. Μπορούν επίσης να προκαλέσουν αστοχία των προστατευτικών επικαλύψεων, όπως γήρανση της επίστρωσης, υπό-διάβρωση μεμβράνης, δημιουργία φυσαλίδων και ξεφλούδισμα κατά την αποθήκευση πυρομαχικών. Επιπλέον, τα μη μεταλλικά υλικά όπως το καουτσούκ και τα πλαστικά μπορεί να υποστούν παραμόρφωση, ευθραυστότητα, ρωγμές, διόγκωση και ανάπτυξη μούχλας υπό αυτές τις συνθήκες.

Η προστασία επιφανειακής επίστρωσης είναι επί του παρόντος μια από τις πιο ευρέως εφαρμοσμένες και αποτελεσματικές αντιδιαβρωτικές τεχνολογίες για στρατιωτικό εξοπλισμό. Ο σχεδιασμός και η επιλογή των προστατευτικών επιστρώσεων πρέπει να λαμβάνει υπόψη πλήρως τα ειδικά περιβάλλοντα λειτουργίας διαφορετικών τύπων εξοπλισμού και τα λειτουργικά συστήματα επίστρωσης θα πρέπει να αναπτύσσονται σύμφωνα με τις πραγματικές απαιτήσεις. Για παράδειγμα, η μικρο{3}}οξείδωση τόξου κραμάτων μαγνησίου με χρήση διπολικού παλμικού ελέγχου έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνει σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση της επίστρωσης.

Μελέτες έχουν δείξει ότι πολυστρωματικές επικαλύψεις Cr/GLC με διαφορετικές περιόδους διαμόρφωσης που εναποτίθενται σε ανοξείδωτο χάλυβα 316L μέσω διασκορπισμού μαγνητρόν DC μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την τριβή και την απόδοση φθοράς σε τεχνητό θαλασσινό νερό. Για κατασκευές πλοίων που εκτίθενται συχνά σε θαλασσινό νερό, εφαρμόζονται συνήθως επιστρώσεις ψευδάργυρου ή αλουμινίου που ψεκάζονται με τόξο- για να προσδώσουν εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση του θαλασσινού νερού. Για την αντιμετώπιση της μικροβιακής πρόσφυσης και της διάβρωσης στο θαλασσινό νερό, η ναυπηγική βιομηχανία έχει υιοθετήσει έξυπνες επικαλύψεις με αντιρρυπαντικές και αντιβακτηριδιακές λειτουργίες. Πέρα από αυτές τις συμβατικές τεχνολογίες επίστρωσης επιφανειών, άλλες προσεγγίσεις-όπως οι επικαλύψεις ηλεκτρολυτικών άμορφων κραμάτων και οι σύνθετες επικαλύψεις νανοσωματιδίων-έχουν επίσης δείξει σημαντικές δυνατότητες εφαρμογής.

Οι επικαλύψεις με βάση το γραφένιο-και οι επιστρώσεις αυτοεπούλωσης-έχουν γίνει σημαντικά ερευνητικά σημεία στις θαλάσσιες αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις τα τελευταία χρόνια. Η έρευνα έχει δείξει ότι οι επικαλύψεις γραφενίου μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αντίσταση στην οξείδωση σε σύγκριση με τα συμβατικά υποστρώματα Cu/Ni. Οι μελέτες για τις επικαλύψεις γραφενίου επικεντρώνονται κυρίως σε οργανικά και ανόργανα συστήματα επικάλυψης. Οι πρώτες εργασίες κατέδειξαν μεθόδους για την παρασκευή επικαλύψεων γραφενίου χρησιμοποιώντας μεθακρυλικό πολυμεθυλεστέρα ως ενδιάμεσο μέσο, ​​με αποτέλεσμα ουσιαστικά ενισχυμένη αντοχή στη διάβρωση.

Το γραφένιο έχει επίσης χρησιμοποιηθεί για την τροποποίηση των υπαρχουσών επικαλύψεων. Για παράδειγμα, η προσθήκη γραφενίου σε υδατοδιαλυτές εποξειδικές επικαλύψεις έχει αποδειχθεί ότι βελτιώνει τη συνολική απόδοση της επίστρωσης σε σύγκριση με τις συμβατικές εποξειδικές αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις. Στον τομέα των ανόργανων επικαλύψεων, έχει δοθεί αυξανόμενη προσοχή στην τροποποίηση του γραφενίου. Η έρευνα δείχνει ότι η προσθήκη γραφενίου σε ανόργανες αντιδιαβρωτικές επικαλύψεις μπορεί να επιτύχει αντοχή στον ψεκασμό αλατιού έως και 1.200 ώρες με βάρος επίστρωσης μόνο 100–150 mg/dm², επιδεικνύοντας σημαντική βελτίωση στην προστασία από τη διάβρωση. Η αντικατάσταση του μεταλλικού χρωμίου με γραφένιο στις επικαλύψεις Dacromet οδήγησε επίσης σε καλή αντοχή στη διάβρωση ενώ προσφέρει βελτιωμένη φιλικότητα προς το περιβάλλον.

Οι αυτοθεραπευόμενες αντιδιαβρωτικές-επικαλύψεις αντιπροσωπεύουν μια αναδυόμενη κατηγορία έξυπνων προστατευτικών επικαλύψεων που μπορούν να αποκαταστήσουν την αντοχή στη διάβρωση μετά από ζημιά κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες. Οι υπάρχουσες επιστρώσεις αυτο{3}}αυτοθεραπείας ταξινομούνται γενικά σε αυτόνομα και μη-αυτόνομα συστήματα. Οι αυτόνομες επιστρώσεις αυτοεπούλωσης-συνήθως βασίζονται σε ενθυλακωμένους παράγοντες σχηματισμού μεμβράνης- ή αναστολείς διάβρωσης για την επιδιόρθωση κατεστραμμένων περιοχών. Η έρευνα έχει δείξει ότι οι μηχανισμοί διεπιφανειακού πολυμερισμού-όπως οι αντιδράσεις μεταξύ ισοκυανικών ενώσεων και νερού-μπορούν να καλύψουν αποτελεσματικά τα ελαττώματα μετά από ζημιά στην επίστρωση. Άλλες μελέτες έχουν επιβεβαιώσει ότι η ενσωμάτωση αναστολέων διάβρωσης, όπως η δωδεκυλαμίνη, σε επικαλύψεις αλκυδικής ρητίνης μπορεί να μειώσει σημαντικά τη διάβρωση.

Οι μη-αυτόνομες αυτο-θεραπεύουσες-επικαλύψεις βασίζονται σε εξωτερικά ερεθίσματα όπως η θερμοκρασία ή το φως για την ενεργοποίηση μηχανισμών επιδιόρθωσης. Για παράδειγμα, συστήματα κατιονικού πολυμερισμού που προκαλούνται από το υπεριώδες-φως- έχουν αναπτυχθεί για να επιτρέπουν την επισκευή της επίστρωσης υπό έκθεση σε υπεριώδη ακτινοβολία.