没有金属就没有现代人类文明,然而金属腐蚀无处不在

没有金属就没有现代人类文明,然而金属腐蚀无处不在
2019年07月23日 08:41 新浪科技综合

  来源: 中科院之声

  没有金属就没有现代的人类文明,然而金属腐蚀在我们的日常生活无处不在,如我们乘坐的汽车、轮船、飞机以及生活中使用的铁锅、菜刀等生锈现象。

  金属腐蚀遍及国民经济各部门,给国民经济带来巨大的损失。您知道吗?全世界每年因腐蚀而报废的钢铁设备已经超过其年产量的30%。更可怕的是,金属腐蚀还会造成桥梁坍塌、管道泄漏、轮船破沉等灾难性事故。

图1 因金属设备腐蚀造成的轮船破沉(a)、桥梁坍塌(b)和管道泄漏(c)事故图1 因金属设备腐蚀造成的轮船破沉(a)、桥梁坍塌(b)和管道泄漏(c)事故

  石墨烯是新一代防腐材料,它不仅具有可以阻隔几乎所有气体的完美屏蔽性能,而且还是目前世界上最薄最坚硬的纳米材料之一,是不折不扣的“材料之王”。

图2 石墨烯对造成金属腐蚀的空气和水的超强阻隔性(a)及其高强度特性(b)图2 石墨烯对造成金属腐蚀的空气和水的超强阻隔性(a)及其高强度特性(b)

  科学家们发现,石墨烯如同“圣衣”一样可以覆盖在金属表面有效阻止金属和空气的接触,对金属起到良好的保护作用。正当科学家们为之欣喜若狂时,来自美国加州大学的Alex Zettl教授指出,石墨烯不能对金属起到长久保护,因为石墨烯是导电的。

  换而言之,一旦石墨烯“圣衣”出现缺陷或破损,哪怕是针孔大小,其中金属产生的电子就如同蚂蚁一样被不停地从孔中释放,那么金属就会不停地被消耗直至殆尽-“千里之堤毁于蚁穴”。

图3 石墨烯涂层加速金属铜的腐蚀过程(裸铜和石墨烯覆盖金属铜腐蚀前后的对照)图3 石墨烯涂层加速金属铜的腐蚀过程(裸铜和石墨烯覆盖金属铜腐蚀前后的对照)

  为此,中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进涂料与粘合剂实验室提出以绝缘的白色“石墨烯”氮化硼纳米点封装石墨烯来实现石墨烯涂层的长期防腐概念(图4)。

 图4 白色石墨烯封装石墨烯示意图(a)和铜线的绝缘皮层图(b),改性石墨烯的高效分散(c)和超防腐机理图(d)。 图4 白色石墨烯封装石墨烯示意图(a)和铜线的绝缘皮层图(b),改性石墨烯的高效分散(c)和超防腐机理图(d)。

  白色“石墨烯”即氮化硼,是类石墨烯等电子绝缘材料,其通过超声碎裂及化学改性技术制备的极小纳米点(直径一般小于50nm)能够通过与石墨烯片层间的π-π堆积作用(一种通常存在于芳香环间的与氢键同样重要的非共价键相互作用)如磁铁一样吸附于石墨烯表面,起到类似导线绝缘皮套的作用(图4)。

  由于氮化硼纳米点富含亲水基团(如羟基、羧基、胺基等),该技术不仅能够突破制约石墨烯推广应用的关键瓶颈——石墨烯分散技术,还能从根本上消除石墨烯涂层在缺陷处加速金属腐蚀的隐患,赋予石墨烯长效保护。

  氮化硼纳米点通常被认为是单层或半层氮化硼纳米片,作为超小的“白石墨烯”纳米片,其存在除了对石墨烯起到封装作用外,不会对石墨烯的屏蔽作用(即阻隔水、空气和腐蚀电解质的特性)造成影响。同时能够抑制石墨烯在涂料中的沉淀和团聚,最大限度地增强石墨烯涂层的防腐性能(图4),为石墨烯防腐涂料的商业化应用进程打开了一个新的突破口。

  该技术还有助于石墨烯在防静电涂层、导热涂层、电子封装材料及导热材料等领域的应用取得新进展。

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