Table of Contents
קורוזיה של מתכות היא תהליך אלקטרו-כימי המקטין תשתיות, תחבורה וציוד תעשייתי, עלות הכלכלה העולמית כ-2.5 טריליון דולר בשנה – מורכב 3.4% מהתמ"ג העולמי.במשך עשרות שנים, ציפויים מגינים המבוססים על פולימרים, אבץ, או כרוב מקבלי ראייה מבטיחים של מדענים גרף-מקלטים, אך הפתרונות האלה הם מגבלות: ציפויים אורגניים תחת חשיפה ל-UV, אבץ'ר-פרנציבים, הם ציפויים כבדים, וספקים של תרופות נוגדות סביבתיות.
נכסים בסיסיים של Graphene כי ניתן לתקן את ההתנגדות
כדי להבין מדוע גרפן כל כך יעיל בהגנה על קורוזיה, חיוני לבחון את המאפיינים בקנה מידה אטומי שלה.השילוב הייחודי של תכונות נובע מה-FLT:02-hybriated פחמן רשת פליט 1 אשר יוצר גיליון דו-ממדי ללא אג"ח דנגלינג.
חוסר יכולת לגזים ולנוזלים
הענן הצפוי של Graphene חוסם כמעט את כל האטומים והמולקולות, כולל חמצן, מים ריקים, ומושגים כלורוריד - סוכני העיקרי של קורוזיה. מחקרים הראו שגם הליום, מולקולה הגז הקטנה ביותר, לא יכול לחדור שכבת גרפן נטולת פגם.חוסר יכולת זו הוא פקודות של גודל טוב יותר מאשר ציפויים אורגניים קונבנציונליים של עובי דומה.
כוח מכני יוצא דופן וגמישות
עם כוח רבייה של כ-130 GPa - 200 פעמים חזק יותר פלדה - graphene יכול לעמוד בלחיצת מוח מכנית ו גמיש ללא סדקים. עמידות זו היא קריטית עבור ציפויים כי חייב לסבול התרחבות תרמית, רטט או השפעות. בניגוד ציפויים קרמיקה , גרפן תואם את משטח מתכת הבסיסית, שמירה על מחסום מתמשך אפילו על עקומה או לא סדיר גיאוגרפיה.
אינרציה כימית ויציבות הירומית
Graphene הוא יציב מבחינה כימית ברוב סביבות קורוזיות, התנגדות להתקפה מחומצות, בסיסים ו פותרים אורגניים.הוא גם שומר על תכונות ההגנה שלה בטווח טמפרטורה רחב, מתנאים מבוימים ליותר מ -400 מעלות צלזיוס אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אט אטמוספירות.זה הופך אותו מתאים ליישומים בעיבוד כימי, אווירוטיקה ותעשיות ימיות שבהן הטמפרטורה משתנה.
מוליכים חשמליים והגנה על קטוודית
מוליכות גבוהה של Graphene (התנגדות לגליון נמוכה כמו 30 ⁇ / sq) מאפשרת לו להשתתף בתכנית הגנה קטודית. על ידי חיבור הציפוי לאד הקרבי או מערכת נוכחית מתרשם, שכבת הגרפן יכולה להפיץ פוטנציאל חשמלי אחיד על פני פני פני פני השטח המתכת, צמצום קורוזי מקומי.
שיטות ליישום Graphene Coatings to Metal Substrates
תרגם תכונות בקנה מידה אטומי של גרפן לציפוי אמין, עמיד דורש טכניקות יישום מדויקות.כל שיטה מציעה עצירות בין איכות, קנה מידה, עלות, תאימות תת-קרקעית.
המונחים: CVD
CVD היא הטכניקה הנפוצה ביותר לייצור איכות גבוהה, גדול-area גרפן. בתהליך זה, גז המכיל פחמן המכיל פחמן (למשל, מתאן) הוא מוקרן בטמפרטורה גבוהה (בדרך כלל 800-1000 מעלות צלזיוס) על משטח מתכת קטליטי כגון נחושת או ניקל.הגרף גדל ישירות על המתכת, ויצר טמפרטורות פוליקלריות מתמשך, עם כמה פגמים אפשריים של credta C.
שיטות מבוססות פתרון
עבור מתכות שאינן-קטליטיות או יישומים גדולים, תחמוצת גרפן מעובד פתרון (GO) מציעה מסלול יותר מדרגי ניתן לייצר על ידי חמצון גרפיט להציג הידרוקסיל, epoxy וקבוצות carboxyl, אשר להפוך אותו הידרופילי ופיזור יעיל יותר של מים או פתרונות אורגניים.
בית הכנסת Layer-by-Layer (LbL)
התאספות LbL כוללת שינוי של חומרים טעונים מנוגדים, כגון פוליאלקטרוניקה מואשם חיובי ופשעים רעים, כדי לבנות ציפוי מגובש.תהליך זה מאפשר שליטה מדויקת על עובי (במרחק דיוק ננומטר) והקומפוזיציה. על ידי שינוי עם מעכבי קורוזיה או שכבות פולימר, ציפוי LbL יכול לשלב תכונות עם פונקציונליות עצמית פעילה.
⁇ אלקטרופורטית (EPD)
EPD משתמש בשדה חשמלי כדי להניע חלקיקים GO מואשמים לכיוון אלקטרודה - תת-המתכת תת-התחסין - יצירת אחיד, ציפוי צפוף.קצב הפירוק ניתן לשלוט על ידי התאמת מתח, זמן התניעה, וריכוז חלקיקים.D הוא מהיר, דרוגני, וישים לצורות מורכבות, והוא דורש לא מדרגות עתירי גבוה.עם זאת, הציפוי חייב להיות מופחת לאחר מכן, ודבקות עשויה להיות מופחתת עם הפחתת CVD.
הערכה: כיצד Graphene Coatings Resist Corrosion
(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
במחקר טיפוסי על נחושת המצופה מ- CVD גרפן: icioFLT:0 corrcioFLT 1 ירד מ 1003FLT:2 -5FLT 3 A/cm2 עבור נחושת חשוף עד 1003:4-8FLT: 8FLT:5 A / עולם ארוך לאחר הפחתה של 1000-fold, ההתנגדות של העברת המטען עלתה מכמה מאות עד 100 ימים ל-R) נשמרת על פני טמפרטורות דומות.
תפקיד Defects בביצועים
Graphene הוא רק מחסום יעיל אם זה חינם של פגמים מאקרוסקופיים.גבולות Grain, דמעות, פיות, ו מתקפלים לפעול כמו מסלולים עבור מינים קורוזיים. אפילו פגם תת-מיקרוניים יחיד יכול לערער את ההגנה, המוביל לשמור על קורוזיה מבועת מקומית, בעוד מחקר מראה כי ציפויים גרפיטרים מרובים (2-5 שכבות) הם עמידים באופן משמעותי יותר מאשר רק בגלל שכבות מרובות, כי שכבות סטיות, כמו קרמיקה, כדי לנגים, 000 קרמיקה, כדי לנגפיים, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 קרמיקה, 000 גרף קרמיקה, 000 גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף קרמיקה, 000 גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף קרמיקה, 000 גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף קרמיקה קרמיקה גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף
השוואת Graphene Betaings עם טכנולוגיות אנטי-Corrosion מסורתיות
| Coating Type | Thickness | Corrosion Resistance | Durability | Cost | Environmental Impact |
|---|---|---|---|---|---|
| Organic polymers (epoxy, polyurethane) | 50–500 μm | Good barrier; susceptible to UV and moisture diffusion | 5–10 years | Low to moderate | VOCs; microplastics |
| Zinc-rich primers | 20–100 μm | Sacrificial; moderate barrier | 10–20 years | Moderate | Zinc mining; heavy metal |
| Chromate conversion coatings | 0.1–5 μm | Excellent active corrosion inhibition | 10–30 years | Low | Carcinogenic; banned in many regions |
| Graphene-based coatings | 1 nm–10 μm | Exceptional barrier; active protection possible | Under evaluation | Currently high | Low toxicity; carbon from graphite |
ציפוי Graphene יכול להיות דק יותר מכל מערכת קונבנציונלית בעת המציע תכונות מחסום מעולה.עם זאת, הם עדיין לא תחרותי עלות - ייצור גרף הוא אנרגיה אינטנסיבית, ושיטות ציפוי כמו CVD דורש ציוד יקר.כפי שסולמות הייצור, עלויות צפויים לרדת, מה שהופך גרפן ציפוי קיימא עבור יישומים בעלי ערך גבוה (אווירה, שתלים רפואיים, טורבינות) שבו משקל ארוך להצדיק את הפרימיות.
היברידית ורב-תפקודי Graphene Coatings
כדי להתגבר על המגבלות של גרפן prise prise - במיוחד חסרונות לקויים ודבקות גרועה למתכות מסוימות - חוקרים פיתחו ציפויים היברידיים המשלבים גרפן עם חומרים אחרים.
- (FLT:0)Graphene-polymer nanocomposites: FLT:1 Dispersing גרפן flakes in epoxy, polyurethane, או פוליאניליין מרעיש משפר תכונות מחסום וכוח מכני בהשוואה לפולימר טהור.
- (FLT:0)Graphene-ceramic היברידיs:03FLT) 1 הוספת גרפן ל-sol-gel נגזר סיליקה או ציפוי אלומיניום משפר את ההתנגדות סדק ואת מוליכות חשמלית, המאפשרים healing עצמי באמצעות תהליכים אלקטרוכימיים.
- (FLT:0Graphene עם מעכבי קורוזיה:FLT) 1:1 לטעון תחמוצת גרפן עם מעכבים (למשל, benzotriazole או צוואר הרחם) מאפשר את הציפוי לשחרר סוכנים פעילים כאשר קורוזיה מתחילה, מתן מחסום פסיבי והגנה פעילה.
- (FLT:0)Graphene ו- MXenes:BuildFLT:1 ; שני ממדים מעבר מתכת carbides /nitrides (MXenes) הראו השפעות סינרגיסטיות עם גרפן, לייצר ציפויים עם נטייה נמוכה ו מוליכות גבוהה.
פתרונות מסחר ויישומים אמיתיים
(ב) כמה חברות קוגניציה מעבירות כיום ציפוי גרפן מהמעבדה לשדה.(FLT:0GrapheneaveFLT:1 מציע פיזור תחמוצת גרפן לנוסחאות תעשייתיות.FLT:2XG Sciences3phigFLT) מייצר גרפים המבוססים על צינורות הגנה מפני פחמן (Gamta) ומשמשים בציפוי הגנה ימיים.
למרות ההתקדמות, אימוץ נרחב מעכב איכות אצווה לא עקבית, עלות גבוהה, וחוסר נתונים לטווח ארוך שדה.השוק הציפוי גרפן צפוי לגדול ב CAGR של 30% עד 2030, מונע על ידי הביקוש ממכוניות, אלקטרוניקה, ומגזרי אנרגיה. Standardization - כגון אלה בראשות FLT:0 / ISO 229 על ננו-טכנולוגיה LT:1 - הם ניסויים אמינים כדי לבסס פרוטוקולים קריטיים.
שיקולים סביבתיים ובטיחות
Graphene עצמו נחשב רעילות נמוכה, אבל הייצור של תחמוצת גרפן כרוך חמצון חזק (למשל, אשלגן permanganate, חומצה sulfuric) המייצר פסולת מסוכנת.הצעד ההפחתה לעתים קרובות משתמש כימיקלים רעילים כמו hydrazine. ירוק synthesis נתיבים - שימוש ב אלקטרו-כימיקלים, CO2 קריטיים או ביו-reduction - הם פותחים כדי להפחית את החששות של החיים הציפויים פחות או ירידה משמעותית.
אתגרים וכיוונים מחקר פעילים
סקלאלה ועלויות ניכוי
עלויות הייצור הנוכחיות של CVD גרפן הן כ -100 $ 200 למטר רבוע עבור סרטים בקנה מידה סנטימטר; עבור ציפוי תעשייתי גדול דונם, עלויות חייב לרדת על ידי גורם של 10-100. רול-to-to-roll CVD וצמיחה ללא תשלום על תת-קבוצה לא-קטליטית הם שדרות מבטיחות. ציפוי מבוסס פתרון הם אך עדיין סובלים זול יותר צפיפות גבוהה וכדאיות גרועה.
אחריות ל Substrates
Graphene יש חלש ואן דר Waals דבק ברוב המתכות. Delamination הוא מצב כשלון נפוץ, במיוחד תחת לחץ רטוב מחזורי או מתח תרמי. Surfacefunctionization - למשל, היכרות עם קבוצות המכיל חמצן או באמצעות שכבת ראשוני של פולי(dopamine) - יכול לשפר את הקשר.
תנאי ארוך
רוב המחקרים שפורסמו מדווחים על חשיפה למעבדה למשך פחות מ -100 שעות. קורוזיה בעולם האמיתי יכולה לערב עשרות שנים של חשיפה ל-UV, מיקרואורגניזמים, טמפרטורות מתחלפות, ולבוש מכני. Accelerated מבחנים אשר מדגימים 20 שנים של שירות נדרשים כדי לאמת ביצועים. תוצאות מוקדמות מניסויים בשטח בפלטפורמות offshore להראות כי ציפויים גרפין-פסוקס לשמור על שלמות לאחר 3 שנים, אבל נתונים ארוכים יותר נדרשים.
שילוב עם תהליכי ייצור קיימים
יישום מתואם בתעשייה הם לעתים קרובות תהליכים רצופים (למשל, פיזור ציפוי רול) היכרות צעד גרפן עשוי לדרוש ציוד חדש או תהליך שינויים. Compatibility עם קווי צבע קיימים ו תנורים מרפא חייב להיות מטופלים.בעצם של גרפן בזמן מתכת נשימה (למשל, על סיורי נחושת) כבר בשימוש באלקטרוניקה, אבל כדי לבנות פלדה הוא פחות פשוט.
האם Graphene Betaings הופך לסטנדרט החדש?
ציפוי Graphene אינם פתרון בגודל אחד מתאים לכל.עבור יישומים גבוהים, יישומים זולים - כגון לוחות גוף רכב או ריבה בנייה - ציפויים מסורתיים יישארו דומיננטיים לטווח הקרוב בשל עלות ותהליך בגרות.עם זאת, עבור רכיבים קריטיים המשימה שבו קורוזיה מובילה לכשל, כגון ציוד מטוסים, השתלים רפואיים, או בחו"ל, תכונות קבועות, כגון גרף קבוע של ייצור ייחודי של נפח ייצור.
משאבים נוספים וקריאה
- (ב) ,0) ננו: Graphene Coatings for Corrosion Protection - A ReviewveFLT 1
- (ב) ⁇ :0) דוחות מדעיים: הגנה לטווח ארוך על נחושת על ידי גרפנטר 1
- פורום כלכלי עולמי: כיצד ציפוי גרפן יכול למנוע קורוזיה מתכתית 1LT