科技 新浪科技 沒有金屬就沒有現代人類文明,然而金屬腐蝕無處不在

沒有金屬就沒有現代人類文明,然而金屬腐蝕無處不在

新浪科技 2019-07-23 08:41

  來源: 中科院之聲

  沒有金屬就沒有現代的人類文明,然而金屬腐蝕在我們的日常生活無處不在,如我們乘坐的汽車、輪船、飛機以及生活中使用的鐵鍋、菜刀等生鏽現象。

  金屬腐蝕遍及國民經濟各部門,給國民經濟帶來巨大的損失。您知道嗎?全世界每年因腐蝕而報廢的鋼鐵設備已經超過其年產量的30%。更可怕的是,金屬腐蝕還會造成橋樑坍塌、管道泄漏、輪船破沉等災難性事故。

圖1 因金屬設備腐蝕造成的輪船破沉(a)、橋樑坍塌(b)和管道泄漏(c)事故圖1 因金屬設備腐蝕造成的輪船破沉(a)、橋樑坍塌(b)和管道泄漏(c)事故

  石墨烯是新一代防腐材料,它不僅具有可以阻隔幾乎所有氣體的完美屏蔽性能,而且還是目前世界上最薄最堅硬的納米材料之一,是不折不扣的「材料之王」。

圖2 石墨烯對造成金屬腐蝕的空氣和水的超強阻隔性(a)及其高強度特性(b)圖2 石墨烯對造成金屬腐蝕的空氣和水的超強阻隔性(a)及其高強度特性(b)

  科學家們發現,石墨烯如同「聖衣」一樣可以覆蓋在金屬表面有效阻止金屬和空氣的接觸,對金屬起到良好的保護作用。正當科學家們為之欣喜若狂時,來自美國加州大學的Alex Zettl教授指出,石墨烯不能對金屬起到長久保護,因為石墨烯是導電的。

  換而言之,一旦石墨烯「聖衣」出現缺陷或破損,哪怕是針孔大小,其中金屬產生的電子就如同螞蟻一樣被不停地從孔中釋放,那麼金屬就會不停地被消耗直至殆盡-「千里之堤毀於蟻穴」。

圖3 石墨烯塗層加速金屬銅的腐蝕過程(裸銅和石墨烯覆蓋金屬銅腐蝕前後的對照)圖3 石墨烯塗層加速金屬銅的腐蝕過程(裸銅和石墨烯覆蓋金屬銅腐蝕前後的對照)

  為此,中國科學院寧波材料技術與工程研究所先進塗料與粘合劑實驗室提出以絕緣的白色「石墨烯」氮化硼納米點封裝石墨烯來實現石墨烯塗層的長期防腐概念(圖4)。

圖4 白色石墨烯封裝石墨烯示意圖(a)和銅線的絕緣皮層圖(b),改性石墨烯的高效分散(c)和超防腐機理圖(d)。 圖4 白色石墨烯封裝石墨烯示意圖(a)和銅線的絕緣皮層圖(b),改性石墨烯的高效分散(c)和超防腐機理圖(d)。

  白色「石墨烯」即氮化硼,是類石墨烯等電子絕緣材料,其通過超聲碎裂及化學改性技術製備的極小納米點(直徑一般小於50nm)能夠通過與石墨烯片層間的π-π堆積作用(一種通常存在於芳香環間的與氫鍵同樣重要的非共價鍵相互作用)如磁鐵一樣吸附於石墨烯表面,起到類似導線絕緣皮套的作用(圖4)。

  由於氮化硼納米點富含親水基團(如羥基、羧基、胺基等),該技術不僅能夠突破制約石墨烯推廣應用的關鍵瓶頸——石墨烯分散技術,還能從根本上消除石墨烯塗層在缺陷處加速金屬腐蝕的隱患,賦予石墨烯長效保護。

  氮化硼納米點通常被認為是單層或半層氮化硼納米片,作為超小的「白石墨烯」納米片,其存在除了對石墨烯起到封裝作用外,不會對石墨烯的屏蔽作用(即阻隔水、空氣和腐蝕電解質的特性)造成影響。同時能夠抑制石墨烯在塗料中的沉澱和團聚,最大限度地增強石墨烯塗層的防腐性能(圖4),為石墨烯防腐塗料的商業化應用進程打開了一個新的突破口。

  該技術還有助於石墨烯在防靜電塗層、導熱塗層、電子封裝材料及導熱材料等領域的應用取得新進展。