ZrN/GO纳米复合材料的协同作用优化了Zn-Ni涂层的摩擦性能和耐腐蚀性能

《Surface and Coatings Technology》：ZrN/GO nanocomposite synergistic optimization of friction and corrosion behavior of Zn Ni coatings

通过冷喷铜层与电沉积制备的Zn-Ni-ZrN/GO复合涂层显著提升了镁合金的摩擦学性能与耐腐蚀性，其协同强化机制有效优化了微观结构，摩擦系数低至0.13，腐蚀电流密度仅2.72×10?? A·cm?2，为高强轻质镁合金表面防护提供新策略。

　　镁合金因其低密度、高比强度、优良的阻尼性能和良好的可回收性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子和生物医学等领域。然而，其固有的低硬度和高化学活性导致其在耐磨性和耐腐蚀性方面表现较差，这在工业应用中构成了重大挑战。每年因镁合金磨损和腐蚀造成的经济损失相当可观，严重限制了其在高端产业中的大规模应用。因此，开发高效表面保护技术，以协同提升镁合金的耐磨和耐腐蚀性能，变得尤为必要。

电沉积技术因其可控性强、涂层均匀性好、环境友好以及成本低廉而被广泛应用于工业涂层保护。电沉积金属涂层（如纯锌、亮镍、锌-镍合金）可以实现耐磨和耐腐蚀性能的提升。研究表明，电沉积可以在金属基体上形成均匀且致密的锌-镍合金涂层。近年来，研究人员发现，在电沉积金属涂层的制备过程中引入分散相颗粒（如硬质陶瓷颗粒、润滑颗粒和稀土颗粒），可以显著提升涂层的综合性能。例如，硬质陶瓷材料如二氧化硅（SiO?）、碳化硅（SiC）、氧化铝（Al?O?）、氧化锆（ZrO?）、氧化钛（TiO?）等被用于提高耐磨性、降低摩擦系数以及增强耐腐蚀性。润滑颗粒如氧化石墨烯（GO）、二硫化钼（MoS?）等也被用于减少摩擦和磨损。稀土颗粒如氧化铈（CeO?）、氧化钇（Y?O?）等则有助于提升涂层的稳定性和功能性。

氧化石墨烯（GO）因其独特的层状结构和表面含氧官能团，表现出良好的分散性和化学修饰潜力。它可以与多种材料形成稳定的复合涂层，从而降低磨损率并增强承载能力，作为颗粒负载的理想载体。然而，GO纳米片在电镀溶液中容易发生聚集，影响复合涂层的均匀性。通过添加陶瓷颗粒，可以有效抑制GO的聚集，进而提升复合涂层的整体性能。纳米级金属颗粒（如Zr、Mn、Ti）作为新型增强材料，相较于传统的陶瓷增强材料，具有更优异的原子尺度界面结合能力，能够与镁基体形成稳定的固溶体。

ZrN作为一种典型的氮化陶瓷材料，具有高熔点（2950℃）、优异的热稳定性和综合性能（抗氧化、耐腐蚀、耐磨、耐高温）。尽管ZrN陶瓷表现出良好的性能，但目前关于其作为分散相颗粒在电镀复合涂层中的应用研究仍较为有限。通过界面优化和功能互补，将硬质ZrN陶瓷颗粒与润滑GO纳米片结合，可以为开发高性能复合涂层材料提供创新的解决方案。

在本研究中，提出了一种新颖且可靠的方法：首先利用冷喷涂技术在镁基体上沉积一层铜过渡层，以优化界面结合；然后在该过渡层上电沉积Zn-Ni基的ZrN/GO复合涂层。ZrN/GO纳米复合材料通过高效的一步水热法合成，显著提升了工艺的简便性和可重复性。通过系统的对比实验，对复合涂层的磨损机制和腐蚀动力学进行了深入研究，揭示了其协同的保护作用。本研究不仅为设计高性能Zn-Ni复合涂层提供了新的理论框架和实践指导，还推动了镁合金表面工程在恶劣环境中的应用。

为了验证ZrN纳米颗粒在GO表面的原位生长和分散均匀性，本研究对通过水热法合成的ZrN/GO复合粉末进行了系统的扫描电子显微镜（SEM）微观结构观察和元素分布分析（图2a-c）。结果表明，原始GO呈现出典型的褶皱层状结构（图2a），且C和O元素分布均匀，证实了其二维连续性。在ZrN/GO复合材料中，ZrN纳米颗粒均匀地分布在GO表面，形成稳定的复合结构。这种结构不仅增强了涂层的硬度和附着力，还降低了表面粗糙度，从而提升了Zn-Ni基复合涂层的整体性能。

此外，对ZrN/GO复合涂层的微观结构、摩擦学性能和电化学腐蚀特性进行了系统研究。采用多种分析技术，包括SEM、TEM、XRD、EDS、XPS、动电位极化（PDP）、电化学阻抗谱（EIS）、全浸试验和磨损试验，全面评估了其性能。研究结果表明，ZrN/GO复合涂层表现出致密且均匀的微观结构，ZrN/GO复合材料在Zn-Ni基体中均匀分散，形成协同增强结构，促进晶粒细化。摩擦学分析显示，ZrN/GO复合涂层的摩擦系数显著降低，摩擦系数为0.13，磨损率为5.2×10?? mm3·N?1·m?1。在3.5 wt% NaCl溶液中的腐蚀性能测试中，ZrN/GO复合涂层表现出最高的自腐蚀电位（Ecorr = -1.13 VSCE）和最低的自腐蚀电流密度（icorr = 2.72×10?? A·cm?2）。这些结果表明，ZrN/GO复合涂层通过成分设计实现了磨损和腐蚀性能的协同优化，显著增强了镁合金的耐磨和耐腐蚀能力，为开发高性能的Zn-Ni基保护涂层提供了新的思路。

在本研究中，所使用的AZ31B镁合金（尺寸为20×20×4 mm）作为研究对象。在冷喷涂铜过渡层沉积之前，镁合金经历了超声波清洗和喷砂处理，以去除表面的污染物如灰尘和油渍。采用的铜粉（粒径25–30 μm）和铝氧化粉（粒径45–50 μm）均购自兴荣源工业有限公司。电沉积溶液中含有NiSO?·6H?O（56.2 g/L）和ZnSO?·7H?O（28.8 g/L），此外还添加了其他辅助成分以优化涂层性能。

通过系统的实验分析，可以发现ZrN/GO复合材料在电沉积过程中表现出良好的分散性和稳定性。这种复合材料不仅能够有效提高涂层的硬度和附着力，还能够显著降低表面粗糙度，从而改善涂层的摩擦学性能。同时，ZrN/GO复合材料在电化学测试中表现出优异的耐腐蚀性能，这主要得益于其形成的协同保护机制，包括硬相增强、软相润滑和屏障型抗腐蚀。这些机制共同作用，使得ZrN/GO复合涂层在多种测试条件下均表现出良好的性能。

ZrN/GO复合材料的制备方法采用了一种高效的一步水热法，使得整个合成过程更加简便和可重复。通过这种方法，能够获得均匀且致密的ZrN/GO复合粉末，为后续的电沉积工艺提供了稳定的原料。此外，ZrN/GO复合材料在电沉积过程中能够与Zn-Ni基体形成良好的界面结合，从而提升涂层的整体性能。这种界面结合不仅增强了涂层的机械强度，还改善了其在高温和腐蚀性环境下的稳定性。

实验结果表明，ZrN/GO复合涂层在磨损和腐蚀性能方面均表现出显著优势。在摩擦学测试中，该涂层表现出较低的摩擦系数和磨损率，这主要得益于ZrN纳米颗粒和GO纳米片的协同作用。ZrN纳米颗粒提供了硬相增强，而GO纳米片则起到了润滑作用，从而降低了摩擦和磨损。在电化学测试中，ZrN/GO复合涂层表现出优异的耐腐蚀性能，这主要得益于其形成的屏障型抗腐蚀机制，有效阻止了腐蚀介质的渗透。

此外，ZrN/GO复合涂层在微观结构上表现出致密且均匀的特征，这有助于提高其机械性能和稳定性。通过SEM和TEM分析，可以观察到ZrN纳米颗粒均匀分布在GO表面，形成稳定的复合结构。这种结构不仅增强了涂层的硬度和附着力，还促进了晶粒细化，从而提高了涂层的整体性能。XRD和EDS分析进一步证实了ZrN/GO复合材料的化学组成和晶体结构，为后续的性能评估提供了可靠的数据支持。

在电化学测试中，ZrN/GO复合涂层表现出优异的耐腐蚀性能。通过动电位极化（PDP）和电化学阻抗谱（EIS）测试，可以评估其自腐蚀电位和自腐蚀电流密度。实验结果表明，该涂层的自腐蚀电位较高，自腐蚀电流密度较低，这表明其具有良好的耐腐蚀能力。此外，全浸试验进一步验证了其在腐蚀性环境中的稳定性，证明了其作为镁合金保护涂层的有效性。

综上所述，ZrN/GO复合涂层通过成分设计和工艺优化，实现了磨损和腐蚀性能的协同提升。这种新型的复合涂层不仅具有良好的机械性能和稳定性，还表现出优异的摩擦学和电化学性能，为镁合金在高要求环境中的应用提供了新的解决方案。通过冷喷涂和电沉积技术的结合，能够有效解决镁合金与涂层之间的界面结合问题，从而提升涂层的整体性能。此外，ZrN/GO复合材料的引入克服了传统单粒子掺杂的性能局限，为开发高性能的Zn-Ni基保护涂层提供了新的思路。