纳米CeO2对静电粉末喷涂技术制备PTFE/PEEK涂层耐腐蚀性能的影响

《Coatings》：Influence of Nano-CeO2 on the Corrosion Resistance of PTFE/PEEK Coatings Prepared by Electrostatic Powder Spraying Technique

　　

聚四氟乙烯/聚醚醚酮（PTFE/PEEK）防腐涂层通过静电粉末喷涂技术（EPST）制备于7075铝合金表面。为获得更致密的微观结构和改善疏水性能，研究人员引入纳米CeO₂填充涂层，并分析了其对不同涂层结构的作用机制。采用NaCl浸泡实验评价涂层的耐腐蚀性能。结果表明，纳米CeO₂通过填充局部缺陷并形成更致密的微观结构屏障来增强涂层，从而提高复合涂层的疏水性和耐腐蚀性。此外，在20 μm PTFE/PEEK复合涂层中添加纳米CeO₂增加了结构异质性和孔隙缺陷，降低了涂层致密性，促进了腐蚀介质的渗透，从而削弱了涂层的屏障能力。然而，在50 μm PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层中，纳米CeO₂颗粒填充了部分既有缺陷并提高了涂层致密性，从而增加了腐蚀介质穿透涂层的阻力。这种增强的屏障效应延迟了腐蚀介质与基体的接触，提高了涂层的耐腐蚀性。本研究中，纳米CeO₂含量为0.5 wt.%的50 μm PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层表现出最佳的耐腐蚀性能，其腐蚀电流密度为8.02 × 10^?4 μA·cm^?2，在NaCl溶液中浸泡720 h后，|Z|_0.01Hz仍保持在10⁶ Ω·cm²以上。

腐蚀是导致材料损失与设备失效的重要原因。7075铝合金因轻质高强被用于氢燃料电池汽车，但其表面自然氧化膜难以抵抗强腐蚀环境。超疏水涂层可显著降低腐蚀速率，静电粉末喷涂技术因简便、经济而适合工业应用。纳米CeO₂作为填料可增强聚合物涂层耐蚀性，但PTFE粒径与纳米CeO₂添加对涂层致密性和耐蚀性的协同作用尚不清楚。为此，研究人员采用静电粉末喷涂技术（EPST）在7075铝合金表面制备PTFE/PEEK防腐涂层，选用20 μm和50 μm两种PTFE粒径，添加0、0.5、1.0、1.5 wt.%的纳米CeO₂，系统研究其对涂层微观结构、疏水性及耐蚀性的影响。结果表明，50 μm PTFE/PEEK涂层添加0.5 wt.%纳米CeO₂后性能最优，腐蚀电流密度为8.02 × 10^?4 μA·cm^?2，浸泡720 h后|Z|_0.01Hz仍高于10⁶ Ω·cm²。该研究为PTFE/PEEK涂层在铝合金防护中的应用提供了理论依据，论文发表于《Coatings》。

研究采用的关键技术方法包括：以硅烷偶联剂KH550处理7075铝合金基材（购自广西南南铝业有限公司，规格10 mm × 10 mm × 5 mm）；将PTFE（日本大金，20 μm和50 μm）、PEEK（英国威克斯，型号150P，50 μm）及纳米CeO₂（粒径<100 nm）按比例混合，经搅拌、干燥、过筛后，在喷涂电压100 kV、电流82 μA、固化温度375 °C、时间80 min条件下制备涂层。表征手段包括X射线衍射（XRD）、差示扫描量热法（DSC）、扫描电子显微镜及能谱分析（SEM-EDS）、静态接触角测试，以及使用电化学工作站（CHI660E）在3.5% NaCl溶液中测试动电位极化曲线和电化学阻抗谱（EIS），并开展长达720 h的浸泡试验。

3.1 纳米CeO₂添加对不同PTFE/PEEK涂层微观形貌的影响：SEM观察显示，20 μm PTFE/PEEK涂层表面较均匀，但加入纳米CeO₂后孔缺陷数量与尺寸随含量增加而增大；50 μm涂层在添加0.5 wt.%和1.0 wt.%纳米CeO₂后表面更致密均匀，含量达1.5 wt.%时致密性显著下降并出现片状组织。EDS证实Ce元素分布于涂层表面。接触角测试表明，50 μm涂层在0.5 wt.%纳米CeO₂时静态接触角最大，为153.1°±3.2°，呈现高疏水性。

3.2 纳米CeO₂对PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层耐腐蚀性能的影响：动电位极化曲线显示，20 μm涂层添加纳米CeO₂后腐蚀电流密度增大，耐蚀性下降；50 μm涂层腐蚀电流密度随纳米CeO₂含量增加先降后升，0.5 wt.%时最低。EIS Bode图显示，50 μm涂层在0.5 wt.%时|Z|_0.01Hz最高，过量添加则急剧下降。

3.3 NaCl浸泡实验：在3.5 wt.% NaCl溶液中浸泡5–720 h后，20 μm涂层在168 h时|Z|_0.01Hz降至10⁴ Ω·cm²以下，失去保护能力；50 μm涂层在720 h时降至10³以下；而50 μm PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层在整个过程中始终高于10⁴ Ω·cm²，初始值达1.67×10⁷ Ω·cm²，720 h后仍接近10⁶ Ω·cm²。SEM显示腐蚀后20 μm涂层表面出现微米级裂纹，50 μm复合涂层表面无明显变化；EDS和XRD分析表明腐蚀产物主要为Al(OH)₃。

3.4 PTFE/PEEK复合涂层腐蚀失效机理分析：腐蚀介质中Cl^?破坏铝合金表面钝化膜，Al基体溶解为Al³⁺，与阴极反应产生的OH^?反应生成Al(OH)₃沉淀。7075铝合金中MgZn₂和Mg₂Si相与α-Al形成微电偶，加剧局部腐蚀。纳米CeO₂在20 μm涂层中发生团聚，增加结构异质性，降低致密性，从而加速腐蚀；而在50 μm涂层中，纳米CeO₂填充颗粒间缺陷，提高致密性，增强屏障能力，延缓腐蚀介质渗透，从而保持涂层疏水性和耐蚀性。

讨论部分总结了纳米CeO₂对不同形貌涂层的作用机制：对致密型20 μm涂层，CeO₂团聚损害结构；对粗糙型50 μm涂层，CeO₂填充缺陷改善屏障。研究结论为：(1) 通过对比四种涂层在NaCl浸泡中的电化学阻抗变化，确定纳米CeO₂含量为0.5 wt.%的50 μm PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层耐蚀性最佳，腐蚀720 h后|Z|_0.01Hz仍超过10⁶ Ω·cm²。(2) 在20 μm PTFE/PEEK复合涂层中添加纳米CeO₂难以使涂层更致密，反而因团聚增加结构异质性，削弱致密微观结构，降低耐蚀性。(3) 在50 μm PTFE/PEEK/CeO₂复合涂层中，纳米CeO₂可增强屏障能力，填充较大颗粒间缺陷，促进致密化，增加腐蚀介质穿透阻力，限制基体腐蚀和Al(OH)₃腐蚀产物的形成与积累，有助于保持涂层的疏水性和耐蚀性。