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Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Corrosion resistant superhydrophobic nanoparticles-incorporated-anodized-aluminum alloys surfaces

Huang Ying. (2016). Corrosion resistant superhydrophobic nanoparticles-incorporated-anodized-aluminum alloys surfaces. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

Corrosion on metal surfaces usually leads to severe safety and appearance issues, particularly in automotive applications. Majority of corrosion behaviors occur in a humid environment. Superhydrophobic surface coating significantly reduces contact area between metal surface and liquid due to the non-wetting layer. Therefore, a superhydrophobic surface is valuable to be fabricated in order to prevent corrosion. In this project, superhydrophobic aluminum alloy surfaces were fabricated by electrophoretic deposition (EPD) of stearic acid (SA) functionalized zinc oxide (ZnO) nanoparticle. The deposited thin film shows a water contact angle of ~155°with rolls off properties. The intensity of x-ray diffracted (XRD) peaks of ZnO and hence the thickness of the ZnO films increases with the increase of the bath temperatures. The activation energy of electrophoretic deposition of stearic-acid-functionalized ZnO nanoparticles was calculated to be 0.5 eV from the Arrhenius plot between bath temperature and the XRD peak area. The superhydrophobic SA-functionalized ZnO thin film has a slightly improved corrosion resistance property (polarization resistance of 55 kΩ⋅cm2) as compared with as-received Al alloy (polarization resistance of 50 kΩ⋅cm2). In order to better improve the anti-corrosion property, a modified electrodeposition process was performed to transform the as-received aluminum alloy substrates to superhydrophobic. In the process, the aluminum alloy surface was electrodeposited in the electrolytic solution containing zinc nitrate and stearic acid at 20 V DC. The optimum of molar ratio at (Zn2+/SA) of 0.225 was found to provide a high surface rms roughness of 7.11 ± 0.42 μm and contact angle (CA) of 159 ± 1°. The corrosion resistance of superhydrophobic substrates prepared by electrodeposition was found to be much higher than that of as-received substrate and the superhydrophobic substrates prepared by EPD process. Anodized aluminum has good robust and corrosion resistance properties. Based on the knowledge of electrodeposition process on the as-received aluminum substrate, aluminum alloy was firstly anodized, followed by the electrodeposition process using the electrolyte of zinc nitrate mixing with stearic acid. The formation of low surface energy micro-nanostructured zinc stearate electrodeposition transformed the anodic aluminum oxide (AAO) surface to superhydrophobic, having water contact angle of 160°. The corrosion current densities of the anodized and aluminum alloy surfaces are found to be 200 and 400 nA/cm2, respectively. In comparison, superhydrophobic anodic aluminum oxide (SHAAO) shows a much lower value of 88 nA/cm2. Similarly, the charge transfer resistance, Rct, measured by electrochemical impedance spectroscopy show that the Rct value of SHAAO substrate was found to be 200 times larger than that of as-received aluminum alloy substrate. These results indicate that the superhydrophobic surfaces created on anodized surface remarkably improve the corrosion resistance performance of aluminum alloy.

La corrosion sur des métaux peut conduire à des problèmes de sécurité graves dans la vie de tous les jours. La plupart des comportements de corrosion se produisent dans un environnement humide. Les revêtements superhydrophobes, une surface enduites d'une couche non mouillanble, réduit la zone de contact à l’interfacesolide et liquide. Par conséquent, les surfaces superhydrophobes peuvent être fabriquées de manière à éviter que les comportements de corrosion. Dans ce projet, les surfaces en alliage d'aluminium superhydrophobes ont été fabriqués par dépôt électrophorétique (EPD) d'acide stéarique (SA) de nanoparticules d'oxyde de zinc fonctionnalisé (ZnO). Le film mince déposée présente un angle de contact de l'eau de 155°. L'intensité de rayons X diffracté (XRD) des pics de ZnO et, partant, l'épaisseur des films de ZnO augmente avec l'augmentation des températures de bain. L'énergie d'activation de dépôt électrophorétique des nanoparticules de ZnO fonctionnalisé à l’acide stéarique- a été calculée à 0,5 eV à partir du tracé d'Arrhenius entre la température du bain et la surface du pic de XRD. Le film de ZnO superhydrophobe a une petite amélioration de la propriété de résistance à la corrosion (résistance de polarisation 55 k /cm2) par rapport aux telle que reçue alliage Al (résistance de polarisation 50 k/cm2). Afin de mieux améliorer la propriété anticorrosion, un processus d'électrodéposition modifié a été effectuée dans le projet de transformer les substrats en alliage d'aluminium telle que reçue à superhydrophobe. Dans le procédé, la surface en alliage d'aluminium par électrolyse est effectuée dans une solution électrolytique contenant du nitrate de zinc et d'acide stéarique à 20 V DC. La valeur optimale du rapport molaire au (Zn2+ / SA) de 0,225 a été trouvé pour fournir la rugosité de 7,11 ± 0,42 um et l'angle de contact (CA) de 159 ± 1 °. La résistance à la corrosion de substrats superhydrophobes préparées par électrodéposition a été jugée beaucoup plus élevée que celle du substrat telle que reçue et les substrats préparés par un procédé superhydrophobes EPD. Il est bien connu que l'aluminium anodisé a des propriétés mécaniques élevées et résistant à la corrosion. Par conséquent, avec la compréhension du procédé d'électrodéposition sur un substrat d'alliage d'aluminium telle que reçue, l'alliage d'aluminium est tout d'abord anodisée, suivi par le procédé de dépôt électrolytique utilisant l'électrolyte de nitrate de zinc à mélanger avec de l'acide stéarique, qui est le même que sur la telle que reçue surface de l'alliage d'aluminium. La formation d’un film hybride organique-inorganique micro-nanostructuré de stéarate de zinc électrolytique transformé la surface d'oxyde d'aluminium anodique (AAO) à superhydrophobe, ayant angle de 160 ° de contact de l'eau. Les densités de courant de corrosion des surfaces d'aluminium anodisé et d'alliages sont avérés 200 et 400 nA/cm2, respectivement. A titre de comparaison, superhydrophobe anodique d'oxyde d'aluminium (SHAAO) représente une valeur beaucoup plus faible de 88 nA/cm2. De même, la résistance de transfert de charge, Rct, mesurée par spectroscopie d'impédance électrochimique montre que le substrat a été trouvé SHAAO être 200 fois plus grande que le substrat en alliage d'aluminium telle que reçue. Ces résultats ont prouvé que les surfaces superhydrophobes créées sur la surface anodisée ont considérablement amélioré la propriété de résistance à la corrosion de l'alliage d'aluminium.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Mai 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en ingénierie
Nombre de pages:318
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Génie > Génie des matériaux et génie métallurgique
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Programmes d'études de cycles supérieurs en ingénierie
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Sarkar, Dilip K.
X.-Grant, Chen
Mots-clés:aluminum, anodization, corrosion resistant, electrodeposition, electrophoretic deposition, superhydrophobic
Déposé le:24 janv. 2017 10:56
Dernière modification:06 juin 2017 20:27
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