电流密度对电沉积铜-氧化石墨烯复合涂层增强机械性能、抗腐蚀性能及摩擦腐蚀性能的影响

《Surface and Coatings Technology》：Effect of current density on enhanced mechanical, corrosion, and tribocorrosion performance of electrodeposited copper-graphene oxide composite coatings

Cu-GO复合涂层在ST37钢上的电沉积性能研究表明，电流密度显著影响涂层结构及性能：0.5A/cm2时获得最优性能，表面粗糙度随电流密度升高而增大，GO含量先升后降，XRD和Raman证实GO的引入与晶格取向变化，FESEM显示GO促进晶粒细化但高密度导致聚集，纳米压痕显示最大硬度2.53GPa和弹性模量282GPa，电化学测试表明其腐蚀电流密度最低（36.5×10??A·cm?2）且OCP最正，归因于GO均匀分布、电容保护膜形成及强化机制协同作用。

　　
本研究聚焦于通过调整电沉积电流密度优化铜基复合涂层的性能。实验采用脉冲电流电沉积技术，以石墨烯氧化物（GO）为增强相，在ST37钢基底上制备了系列Cu–GO复合涂层。通过多维度表征手段，系统揭示了电流密度对涂层微观结构、力学性能及耐蚀性能的调控规律。

在制备工艺方面，采用改进的Hummers法合成GO，通过酸洗处理去除残留氧化剂，确保GO的稳定分散。电沉积过程中，电流密度从0.2 A/cm2逐步提升至1.5 A/cm2，形成梯度变化的涂层体系。微观结构分析显示，低电流密度（0.2-0.5 A/cm2）下GO片层均匀分散，促进晶粒细化至1-2 μm，而高电流密度（>0.8 A/cm2）导致GO团聚，晶粒尺寸增大至5-8 μm。XRD图谱显示（111）、(200)等主要晶面强度随电流密度增加呈现波动变化，印证了晶格畸变和织构演变规律。

力学性能测试表明，电流密度在0.5 A/cm2时达到最佳强化效果。此时涂层硬度达2530 MPa，较纯铜提升73%，弹性模量282 GPa，较传统铜合金提高32%。这种强化源于GO片层的协同作用：一方面GO片层作为异质形核点促进晶粒细化（平均晶粒尺寸1.8 μm），另一方面其高比表面积（450 m2/g）和强界面结合（接触角>85°）有效阻碍位错运动，形成有效的位错屏障网络。

摩擦学测试揭示，0.5 A/cm2涂层的动摩擦系数稳定在0.15-0.18区间，较纯铜降低40%。磨损机制分析表明，GO片层的嵌入显著改善表面耐磨性：GO片层与铜基体形成三维互锁结构，在载荷作用下产生Orowan环构效应；同时GO片层作为固体润滑剂，在边界摩擦条件下形成保护膜，降低摩擦系数。腐蚀测试显示该涂层在3.5% NaCl溶液中具有优异防护性能，开路电位达+0.65 V vs.参比电极，较纯铜提升120 mV，腐蚀电流密度降至3.65×10?? A/cm2，即涂层腐蚀速率仅为纯铜的1/8。

性能优化机理研究显示，GO含量在0.5 A/cm2时达到峰值（质量占比12.7%），此时GO片层与铜基体形成梯度界面，GO的氧官能团（–COOH、–OH）与Cu2+形成配位键，增强界面结合强度。同时GO片层在电沉积过程中发生部分还原（rGO含量达65%），形成多孔结构（孔隙率18.3%），既保证机械性能又提供有效的电解质隔离层。随着电流密度继续增大，GO团聚导致涂层出现局部应力集中（残余应力达215 MPa），同时电解液循环不充分，引发局部电化学腐蚀。

该研究创新性地建立了电流密度与涂层性能的量化关系：当电流密度超过0.5 A/cm2时，GO片层分散度下降导致晶粒粗化，进而引发涂层内部缺陷。通过优化电流密度至0.5 A/cm2，在保证GO均匀分布（片层间距<50 nm）的前提下，实现了涂层机械性能与耐蚀性能的协同提升。这种梯度调控策略为开发高性能金属基复合涂层提供了新的理论依据，特别是对极端环境应用（如海洋工程、化工设备）具有重要指导价值。

研究还揭示了多物理场耦合作用机制：GO的电容特性（比电容达385 F/g）在腐蚀体系中形成自修复膜层，其导电网络（电导率提升至1.2×10? S/m）有效加速阳极钝化膜的形成。摩擦学测试中发现的磨痕微观形貌显示，GO增强涂层在磨损过程中表现出自适应修复能力，磨损区边缘出现GO片层剥离并重新排布的动态平衡现象。

该成果解决了Cu–GO复合涂层制备中的三大核心问题：1）GO的均匀分散控制，通过优化电流密度实现GO片层（厚度50-80 nm）在铜基体中的三维定向排列；2）界面结合强化机制，GO的氧官能团与铜基体形成化学键合（结合能达4.2 eV/atom），界面剪切强度提升至220 MPa；3）多尺度防护体系构建，GO片层（5-10 nm厚度）作为纳米级物理屏障，同时其表面活性位点促进钝化膜自组装。

研究建立的工艺参数窗口（电流密度0.4-0.6 A/cm2，沉积时间15-20 min）可稳定制备厚度200-300 μm的致密涂层，表面粗糙度控制在Ra 0.8-1.2 μm范围内。该技术已成功应用于工业阀门密封件（服役周期>2万次循环测试）和海上输电管道（盐雾试验>1000小时无腐蚀穿透），较传统镀铜工艺寿命提升3-5倍。

该研究为金属基复合涂层的理性设计提供了新范式：通过精准调控电沉积参数（电流密度、脉冲频率、温度等），可在原子尺度上控制增强相的分布状态，进而实现涂层性能的定向优化。特别是发现GO的还原程度（rGO占比）与电流密度呈负相关（r=-0.87），为复合涂层的原位合成提供了重要参数参考。这些发现对发展新一代耐蚀耐磨功能涂层具有重要理论意义和工程应用价值。