[发明专利]一种稀土氧化物‑石墨烯复合掺杂镀锌层的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料腐蚀与防护领域，涉及一种稀土氧化物-石墨烯复合掺杂镀锌层的制备方法。

背景技术

镀锌层是传统而又行之有效的钢铁等黑色金属防护镀层，现代经济和工业的发展对电镀锌层防腐性能的要求越来越高。传统纯锌镀层已经不能完全满足要求，近年来关于复合电镀锌层的研究与应用越来越广泛。

稀土元素具有很高的化学活性和氧亲和力，使得稀土元素在金属防腐方面有着很好的应用前景。在所有稀土元素中，稀土铈盐及其氧化物在金属防腐领域的应用最为广泛。而钐是铈组轻稀土元素之一，与铈具有十分类似的性质。石墨烯具有独特的二维片层结构、高比表面积特点，其可层层叠加形成致密涂层，起到优异的物理隔绝作用，同时碳原子还具有很强的导电性，这些特性对于石墨稀在防腐蚀领域的应用具有极高的价值。目前关于稀土氧化物Sm₂O₃掺杂电镀锌层和石墨烯掺杂电镀锌层的研究没有报道。

发明内容

技术问题：本发明正是针对现有技术存在的不足，提供一种稀土氧化物-石墨烯复合掺杂镀锌层的制备方法，利用该方法可在钢铁镀件表面制备具有优异耐腐蚀性的电镀锌层。

技术方案：本发明的一种稀土氧化物-石墨烯复合掺杂镀锌层的制备方法包括如下步骤：

1)钢铁件表面预处理

a.碱洗除油：将钢铁镀件置于40-60g/L的氢氧化钠溶液中浸泡，浸泡温度为70-100℃，浸泡时间为15-30min；

b.酸洗除锈：将钢铁镀件置于质量分数为40％的盐酸中浸洗1-5min；

2)采用氯化钾型微酸性镀锌电解液作为基液，在此基液中加入石墨烯和稀土氧化物Sm₂O₃纳米颗粒得到复合镀液，要求稀土氧化物的粒径为20-40nm，稀土氧化物与石墨烯的质量比范围在1:1到10:1之间；

3)以锌片为阳极材料、以步骤1)预处理过的钢铁镀件为阴极材料置入步骤2)得到的复合镀液中进行电镀，电镀过程中采用功率为50-500W、频率为40kHz的超声波分散石墨烯和稀土氧化物，得到在钢铁件表面形成的稀土氧化物-石墨烯复合掺杂电镀锌层。

其中：

所述在此基液中加入石墨烯和稀土氧化物Sm₂O₃纳米颗粒，加入后石墨烯在基液中的质量浓度为0.02-10g/L，稀土氧化物Sm₂O₃纳米颗粒在基液中的质量浓度为0.2-10g/L。

步骤2)中，氯化钾型微酸性镀锌电解液的组成为ZnCl₂65g/L、KCl200g/L、H₃BO₃30g/L。

步骤3)的电镀过程中中，阴极电流密度为1.0-2.0A/dm²，电镀温度为20-60℃，电镀时间为1-60min，pH为5.0-6.0。

纳米Sm₂O₃颗粒电沉积机理：

(1)悬浮于电镀液中的纳米Sm₂O₃颗粒，由电镀液深处不断向阴极表面迁移。此时，纳米颗粒被带电离子和溶剂分子的薄层所包覆，运动到阴极的紧密层外侧形成弱吸附。

(2)在界面电场作用下，纳米Sm₂O₃颗粒粘附于阴极表面，此阶段弱吸附转化成化学吸附，并且还存在着已发生化学吸附微粒解吸脱落的动态关系。

(3)发生了化学吸附的纳米Sm₂O₃颗粒被阴极上不断沉积的锌牢固嵌入。

石墨烯电沉积机理：

石墨烯本身表面不带电荷，但石墨烯在电解液中会吸附金属阳离子Zn²⁺或纳米Sm₂O₃颗粒而带有正电荷，从而向阴极迁移，实现石墨烯的液相电沉积制备。

纳米Sm₂O₃颗粒与石墨烯的复合掺杂改性电镀锌层可以充分结合二者的物理化学特性，进一步提高镀锌层的防腐蚀能力。

有益效果：本发明与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

本发明所述的一种稀土氧化物-石墨烯复合掺杂镀锌层，实现了锌、纳米Sm₂O₃颗粒与石墨烯三者的共沉积，使镀锌层组织更加细化致密，能有效提高镀锌层与钢铁件的结合力，显著改善镀锌层的耐腐蚀性能。