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      1. 業界視點 | 劉婭莉:大力發展鋁合金表面處理技術 為國家工程建設護航
        2019-09-19 14:58:00 作者:殷鵬飛 來源:《腐蝕與防護之友》 分享至:
        材料是人類文明的物質基礎和先導,是直接推動社會發展的動力,金屬材料的發展及其應用更是人類社會文明和進步的重要里程碑。隨著經濟的發展和科技的進步,以輕質合金為代表的特殊性能鋼鐵材料以其獨特的性能和優勢越發受到國家的重視-- 鋁合金是其中的杰出代表之一。它具有主流金屬材料所不具備的優勢,促使世界各國投入了大量物資和人力對鋁合金材料進行研究開發,成為衡量一個國家科技和經濟實力的標準之一。為了詳細探究鋁合金特點、優勢及未來發展之路,記者邀請到了湖南大學化學化工學院的劉婭莉教授為做相關方面的精彩解讀。

        記者:鋁合金是工業中應用最廣泛的一類金屬材料,在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業等領域得到大量應用。請重點談談您對鋁合金的看法和見解。

        劉教授:鋁合金具有密度低、強度高、高度可回收的特點,廣泛應用于航空航天、汽車工業、軌道交通、電子設備、石油化工、海上風電及包裝等領域,是大飛機、汽車、高鐵列車結構輕量化、降低能耗的重要保障。《“十三五”

        國家科技創新計劃》中指出面向2030年建設“安全交通,高效交通,綠色交通,和諧交通”的戰略,據估計2017年中國鋁合金產量為792 萬噸,同比增長10.7%。世界范圍內交通用鋁,包括航空、航天、汽車和船舶用鋁占比約28%,建筑約22%、包裝占15%,工程應用占19% 其他占16%。

        1、鋁合金的主要品種鋁合金材料有形變鋁合金(可熱處理強化型和不可熱處理強化型)及鑄造鋁合金(鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁稀土合金以及鋁鎂合金)兩種類型。主要品種有1 系鋁合金,如1050,高純鋁99.00% 以上,導電性好,耐腐蝕性能好,焊接性能好,強度低,不可熱處理強化,用于科學試驗,化學工業及特殊用途。2 系主要以銅為主要合元素,也會添加錳、鎂、鉛等。如2014 合金用天航空工業,強度高。2017 合金比2014 合金強度低一點,但比較容易加工。3 系為以錳為主要合金元素的鋁合金,不可熱處理強化,耐腐蝕性能好,焊接性能好。塑性好。但強度低,如3003 用于飛機上使用的導油無縫管,散熱器鋁翅片,3004用于易拉罐等。4 系以硅為主合金熔點較低如4004 鋁合金釬料。5 系為鋁鎂合金。耐腐蝕、焊接及疲勞強度好,不可熱處理強化,只能冷加工提高強度可飛機油箱導管、防彈衣、軌道交通配件。

        6 系以鎂和硅為主。Mg2Si 為主要強化相,6063、6061 最多,中等強度,耐腐蝕性能好,焊接性能好,工藝性能好(易擠壓出成形)氧化著色性能好。廣泛應用于交通設備。7 系以鋅為主,有時少量添加了鎂、銅。其中超硬鋁合金就是含有鋅、鉛、鎂和銅合金接近鋼材的硬度。

        擠壓速度較6 系合金慢,焊接性能好。

        7005 和7075 用于航空部件。

        2、鋁合金的主要應用領域(1)航天航空。超高強度變形鋁合金具有較好的力學和加工性能,固溶處理后塑性好,熱處理強化效果好,韌性高,質量輕,成為航天器及飛機輕量化材料的第一選擇。美鋁最早利用Ti、Mn 等微量元素成功開發出新型的7075 合金并且在波音747 飛機上應用,揭開在飛機上大規模應用的序幕。如A380-800 空客鋁合金材料占的比重最大達61%。ALZn-Cu 具有較高的強度,可切削加工型,適用于飛機的結構材料;AL-Li 系合金密度低、低溫韌性好等特征,應用在制造火箭及飛機的低溫燃料箱。

        (2)交通領域。鋁合金作為結構材料可減少了汽車自身重量,降低行駛阻力,節省燃油損耗量。與傳統鋼鐵相比之下,鋁合金更加方便回收利用。通常,一輛報廢汽車的回收價值鋁結構高出鋼結構車的6 倍。在汽車內外板上用鋁合金板代替鋼板可使車身減重約40%-50%。

        鋁合金車體由于在輕量化、密封性、抗腐蝕性、美觀性等方面遠高于鋼結構車體,不僅用于城市軌道車輛,而且適于制造200km/hr 以上的高速高檔鐵路車輛。

        高鐵車身選擇高強度的鋁合金作為車體。傳統鋁合金車體采用電弧焊,車體變形大、平整性差和存在焊接氣孔等缺陷,必須靠涂料涂裝來提高防腐蝕性和裝飾性。近年來攪拌摩擦焊技術在高鐵車身加工應用,解決了焊接變形大、焊接氣孔等問題,為機車免涂裝輕量化技術奠定了良好的基礎。

        工業鋁型材還廣泛用于造船業如工業鋁型材在航空母艦上起飛和降落甲板,艙室裝飾和廚房設備的應用。此外快艇及高速船,海洋業從業者的工作船及需要低溫冷藏保持液化LNG 貨船都需要大量使用到鋁合金。

        (3)電子電氣領域。全球每年生產的原鋁大概有6% 被應用在電子電氣領域,而電子導體以鋁合金為主。鋁合金價格遠低于銅合金,密度低,這有利于控制鋪設電纜的成本。鋁合金也更利于回收。在家電領域、計算機領域等也有很大的需求,尤其是電腦磁盤基板、家電的包裝材料等。

        (4)海上風力發電領域。新興能源海上風力發電單機容量增大直接導致發電機內各部件的散熱量大大增加。板翅式鋁合金散熱器是目前最先進、應用最為廣泛的散熱器用于海上風力發電冷卻設備。鋁合金真空釬焊技術作為一種先進的可連接不同種材料連接技術,適應性強,質量輕、經濟環保,是散熱器主要的加工方式,主要采用3003 鋁合金Al-Mn 合金材料(耐蝕性、導熱導電性、焊接與加工性能優異)、4004 鋁基釬料Al-Si-Mg 合金(熔點低,流動性好),及由3003 作為芯材和鋁基釬料包覆層所構成的復合板來制作翅片式散熱器。

        記者:您長期從事金屬材料研究和腐蝕防護工作,尤其在鋁、鎂及其合金防護轉化膜方面有著扎實的理論基礎和豐富的經驗。請您詳細談一下您和您的團隊在鋁合金防腐(金屬表面處理)研究上所做的工作和取得的進展和成就。并談談這些科研工作成果或技術的應用狀況及產生的效益?

        劉教授:首先, 我來說明一下自己的成長經歷:我從事金屬防腐蝕與功能涂層研究并取得一點成績,離不開培養我的恩師。我出生在湘北小城津市,十六歲考上湖南大學金防專業,在化學化工系暨調和、林志成、趙常就、曠少林、張淑玲以及曾凌三等老師指導下,我對電化學、腐蝕原理、電鍍涂料防銹等有了更深的了解。

        大學畢業當年我考入武漢工學院(武漢理工大學)師從朱維新教授,開展沿海掛漿耐磨耐蝕涂料研究,獲工學碩士,同年分配回母校湖南大學任教。2000 年后到復旦大學材料科學系師從長江學者武利民教授,攻讀博士學位,從事鎂合金表面自組裝膜研究及浙江省重大科技專項“納米材料改性聚酯轎車面漆研究”。以上經歷讓我練就了扎實的基礎理論知識,豐富的腐蝕與防護,金屬表面處理以及高分子涂料方面的實踐經驗。

        其次, 我來介紹一下我們的研究團隊:本課題組由教授一名、副教授一名,及富于創新和開拓精神的博士、博士后和碩士組成。研究方向為金屬腐蝕與防護、功能性涂層材料,鋁合金自修復高耐蝕膜及先進納米材料制備等。團隊先后承擔了國家自然科學基金、湖南省重大科技專項、省部產學研項目等三十多項。在ACS Applied Materials &Interfaces,Chemical Engineering Journal,Journal of Power Source,CorrosionScience,Applied Surface Science 等雜志上發表SCI 及核心期刊論文60 余篇,專著《聚氨酯樹脂防腐蝕涂料及應用》一本,授權專利18 項,獲得湖南省技術發明貳等獎一項。

        鋁合金防腐(金屬表面處理)研究上所做的工作和取得的進展和成就我想從湖南大學應用化學專業人才培養,產學研合作與科學研究兩個方面來談談工作、進展與成就。

        (1)應化專業人才培養:金屬腐蝕與防護專業于1962 年,湖南大學是國內最早設立該專業的高校之一,具理工融合特色,2001 年更名為應用化學專業。本專業以應用電化學、腐蝕科學與防護技術、高分子合成與涂料應用、綠色能源為學科發展方向,核心課程由化學工程基礎、結構化學、材料物理化學、高分子化學與涂料、電化學動力學、金屬腐蝕及防護理論、應化專業綜合實驗等組成。選修課有化學電源、電化學測量、電鍍原理與工藝、電化學催化與合成、現代表面工程與技術,緩蝕劑與防銹技術、涂裝工藝學和材料研究方法等。

        從事專業教學工作30 多年,最大的成就是我作為一名教師為我國制造業、汽車工業、國防工業及冶金等學科交叉領域輸送了大批的研究型和復合應用型人才,他們有國家杰青、國企技術負責人、企業老板、上市公司負責人等,為我們汽車工業、航空航天、表面工程技術發展做出了巨大貢獻。

        (2)產學研合作與成就:我從事金屬表面處理特別是鋁合金高耐蝕自修復表面處理研發得益于改革開放后制造業、汽車及軌道交通、航空航天、新能源、家電等行業蓬勃發展,得益于我國環境保護政策的實施。以下是本團隊在鋁合金轉化膜方面的代表性工作:

        新型無鉻鈍化表面處理。針對鋁型材對無鉻鈍化涂裝前表面處理技術需求,研發了鋁合金表面鈦鋯/ 多羥基酯化物無機有機復合轉化膜的制備方法,在保障與粉末涂料附著力前提下耐蝕性明顯提升。受鉻酸鹽鈍化膜主動自修復防腐蝕機制啟發,研究了釩鋯復合轉化膜,該轉化膜以鋯氧化物為膜層主體,其中包裹高價態的釩化合物轉化膜受到腐蝕時,五價的釩可能起到與六價鉻相同的作用,遷移到腐蝕區域,被還原為四價狀態,該成果發表在期刊《Applied Surface Science》上。

        以上產學研促進了企業的技術進步,產生了明顯的經濟和社會效益,得到廣東省科技廳、順德市科技局項目、廣東科富、順德灣廈公司的支持。

        鋁合金免涂裝高耐蝕表面處理技術。

        基于機車輕量化對高耐蝕膜表面處理技術需求,開展了高耐蝕鋁合金表面處理技術研發,通過調控類水滑石轉化膜在鋁合金表面生長的環境因素,能夠在6N01、5083 鋁合金表面快速地制備出高耐蝕的鋰鋁類水滑石轉化膜及鎂鋁類水滑石膜,其不僅能夠保持鋁合金本色和表面金屬質感,同時該表面處理工藝也對其機械性能無不良影響,膜層也具有必要的耐酸、堿(清洗劑)及一定的耐污染性,耐中性鹽霧腐蝕達到300h 及以上。此外還可以通過選擇不同的插層劑可獲得親疏水性不同的轉化膜層,為未來開發多功能的高耐蝕鋁合金表面處理技術提供了重要的研究方向。本工作得到中車青島四方機車股份有限公司支持。

        高耐蝕、自修復類水滑石轉化膜的研究。基于鋁合金表面高耐蝕類水滑石轉化膜的基礎研究,我們以LiAl-LDHs轉化膜為載體,以席夫堿、氨基酸及其衍生物為自修復劑,通過復合技術,在鋁合金表面原位制備出具有高耐蝕性能和自修復性能的LiAl-LDHs 轉化膜,中性鹽霧實驗達500h 以上,膜層在遭受破壞后在腐蝕環境中依然能夠生長出更加致密的LiAl-LDHs 轉化膜。該復合轉化膜可用于航空航天、汽車、高鐵列車鋁合金部件防腐蝕。相應的成果發表在《Applied Surface Science》上。該部分工作得獲得了國家自然基金面上項目和湖南省自然科學基金面上項目支持。

        二維材料增強型功能膜的構建。二維納米材料石墨烯展示出良好的抗滲透性,據此,我們以二維的石墨烯為耐蝕性增強材料,通過水熱連續流動法,在6N01 鋁合金表面制備出石墨烯RGO/ZnAl-LDHs 復合的轉化膜,在3.5wt%和5.0wt% NaCl 溶液中浸漬不同時間段后的防腐蝕性能十分優異。此外基于石墨烯共價改性的策略,發展了一種制備陽離子石墨烯的方法,并以此構建陽離子石墨烯自對齊分布的環氧陰極電泳復合涂層(RGO-ID+ 涂層)。該涂層在中性和強堿性的5.0wt% NaCl 溶液中具有優良的防腐蝕和抗菌性能,歸因于涂層內RGO-ID+ 納米片自對齊的分布形態和其結構中季銨鹽基團。相應成果發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》

        及《Corrosion Science》上。得到國家自然科學基金及湖南省科技廳重大科技專項的資助。

        鋁翅片空冷器腐蝕機理和防護技術研究。解決海洋環境下鋁翅片式空氣散熱器腐蝕,降低滲漏失效的風險是海上風電冷卻設備應用的關鍵技術問題。課題組針對翅片式空氣散熱器外部遭遇海洋高鹽度高污損干濕交替復雜嚴酷環境,內部存在空冷器冷卻液長期運行后成分變化,水流道內結垢,微通道翅片兩側由于釬焊工藝帶來的釬縫、溶蝕及硅偏聚等缺陷問題,分析了其腐蝕機理,提出了在設計上增加去離子水機組,芯體內部采用高耐蝕轉化膜,外部采用導熱耐候防腐蝕涂層體系的防腐蝕措施;提出了新型減阻涂層和先進的焊接加工新工藝研發等創新發展方向。

        新型的鋁合金緩蝕劑研究。鋁合金是海上風機冷卻系統中最為主要的鋁結構材料,其中3003 型鋁合金和4004 型號鋁合金是使用最多的。目前冷卻系統中使用的緩蝕劑主要為鉬酸鹽,研究發現其消耗很快。據此,我們以天然產物(如單寧酸、葡甘露聚糖)為原料制備出其衍生物,然后與其他無毒性成分緩蝕劑復配,開發出環境友好無重金屬的高效緩蝕劑,以取代目前鋁翅片空氣散熱器冷卻液用緩蝕劑,相應的兩項成果發表在《Corrosion Science》上,得到岳陽高瀾節能裝備有限公司支持。

        記者:您在2018 第五屆海洋材料與腐蝕防護大會上做的報告《鋁表面自修復膜的構建及耐腐蝕性研究》受到與會專家學者們的廣泛討論和熱烈歡迎,請您為我們談談這項研究的最新進展和應用。

        劉教授:鋁合金表面自修復功能膜構建是一項值得深入研究的課題,在會上受到了專家學者廣泛討論和熱烈歡迎,會后也和業內專家教授進行深入地交流。盡管采用無鉻化學轉化膜實現對鋁合金的保護已有30 多年,迄今為止這些替代鉻的表面處理技術還不能達到鉻酸鹽鈍化膜對金屬保護的效果,針對航空航天、汽車及機車輕量化可完全替代鉻酸鹽鈍化的高耐蝕表面處理技術和產品并未完全突破。鋁合金表面高耐蝕多功能化膜技術依然是一個世界范圍內的巨大挑戰,還有許多科學問題和技術問題亟待解決。

        自修復防腐蝕涂層是指遭受到外力破壞或腐蝕發生后能夠響應腐蝕微環境的變化,如pH、光、腐蝕電位和腐蝕性離子等,自發恢復或在一定條件下恢復其保護性能的一種智能防腐材料。材料具自修復特性是延長其使用壽命的有效方法。人們一直致力于創建一種類似于鉻酸鹽自修復的鋁合金防護機制。目前幾種最主要自修復涂層有:(1)聚電解質多層膜;(2)微膠囊自修復涂層;(3)導電聚吡咯涂層;(4)裝填有緩蝕劑的溶膠凝膠體系;(5)稀土如鈰基轉化膜等,但以上這些方法都還不能完全取代鉻酸鹽,如膠囊法常用于高分子樹脂中,制備繁瑣且重復性較差;聚電解質層層自組裝膜層及導電聚吡咯膜都存在制備步驟復雜、耗時長、使用有毒試劑等缺陷;鈰鹽轉化膜為亞微米級膜,其膜層僅僅具有微弱的儲存鈍化緩蝕劑的能力。

        據此,基于我們前期的工作基礎,繼續開展了多功能化LiAl-LDHs 復合轉化膜的研究。以氨基酸為前驅體,向結構中引入一些具有抗菌和抗污的單體(如胍基琥珀酸、甲基丙烯酸全氟烷基酯等),得到氨基酸衍生物,然后基于LiAl-LDHs 特有的插層特性,將氨基酸衍生物復合到LiAl-LDHs 結構中,從而在鋁合金表面制備同時具有高耐蝕、自修復以及抗菌性能等多功能化的LiAl-LDHs 復合轉化膜。從我們實驗室里的數據得出,這種新開發的鋁合金表面LiAl-LDHs 復合轉化膜中性鹽霧實驗能達300h,抗大腸桿菌效率高達90% 以上,掃描振動電極技術SVET 及掃描電鏡結果都表明在腐蝕介質中膜層有良好的自修復性。部分成果發表在《AppliedSurface Science》上。

        未來我們將聚焦海洋環境防腐蝕,繼續開發集高耐蝕、自修復、抗污等多功能化的金屬表面防腐蝕技術。

        記者:請結合您的科研工作,談一下鋁合金表面處理的技術研究進展如何?與國外相比,是否存在差距,如果存在,我們應該如何去取長補短?

        劉教授:首先我先來談一下鋁合金表面處理技術的研究進展:

        1、鋁合金表面處理的技術研究進展鋁合金具有優異的力學性能,在航空航天、汽車、通訊器材及家用電器等領域廣泛應用,隨著汽車機車輕量化的發展其用量將呈進一步增長。由于鋁合金復雜的微觀結構,存在不同的金屬間化合物可作為陽極或陰極,導致其在自然及使用環境中易遭受局部腐蝕,進而影響設備平穩遠行甚至導致災難性的后果。因此,鋁合金的防腐蝕涂層及其在使用環境中防腐蝕性能研究是全球材料科學領域重要課題和熱點之一,也是我國大飛機、高鐵及汽車輕量化制造面臨的迫切需要解決的技術難題之一。

        常見的表面處理方法包括陽極氧化、微弧氧化、化學轉化、電鍍、熱噴涂、氣相沉積、等離子體浸沒離子注入、磁控濺射、激光表面強化等。鋁合金陽極氧化技術能耗高,容易造成基體機械性能下降,形成應力裂紋。微弧氧化技術的電壓從陽極氧化的幾十伏上升到了幾百伏,其耗能也相應提高,并且產生大量的熱,需要相應的冷卻技術輔助,成本昂貴;其他方法也多半需要特定設備,難以大規模應用。鋁及鋁合金的化學轉化處理工藝簡單,適用于用電化學方法不能獲取完整膜層的復雜零部件如航空部件、建筑鋁型材、卷材等表面處理,并可作為涂裝底層。

        傳統的鋁合金表面鉻酸鹽鈍化工藝性能穩定,鈍化膜不僅使金屬與外界腐蝕介質之間隔離,這層膜還具有自修復性,當膜的表面出現損傷時,膜層表面上的鉻離子會流向裂紋處對其進行修復,由于鋁合金表面被溶解和pH 的不斷上升,當pH>6 時,Cr6+ 主要以CrO42-存在,在OH- 的作用下,生成堿式鉻酸鹽、亞鉻酸鹽等各種物質,形成鈍化膜從而防止鋁合金的局部腐蝕。目前在一些要求較高的鋁合金表面仍然采用鉻酸鹽鈍化。但是鉻酸鹽處理工藝不僅在處理過程中會產生污染,而且轉化膜中的Cr6+ 還會使被處理的產品在使用及廢棄時對環境造成二次污染,多項法規已經限制了鉻酸鹽的使用。

        當前,鋁合金表面的防護性研究受到了學術和工業界的廣泛關注。大部分研究都是圍繞鉻酸鹽酸鹽的替代進行的,形成了以下體系:

        (1)鋯鈦系轉化膜鋁合金鋯鈦處理是目前為數不多的得到工業化應用的工藝之一。在酸性溶液中,鋁會溶解成鋁離子的形式,在鈦離子、鋯離子和氟離子存在的情況下,能形成AlOF·TiOF2·H2O 的復合鹽類,從而達到耐蝕的作用。采用有機物如聚吡咯溶液,單寧酸及/ 或聚丙烯酸溶液,胺基環丙烷膦酸、硅烷復合使用也進一步提高其耐腐蝕性。在鋁罐、室內散熱器和鋁輪轂、鋁型材等方面已獲得了應用。

        (2)硅烷處理轉化膜硅烷表面處理是一種可代替鉻酸鹽鈍化及磷化的工藝技術,硅烷是一類硅基的有機/ 無機雜化物,其分子中同時存在親有機和親無機的兩種官能團,硅烷可與基底鋁合金形成極強的Me-O-Si鍵,其形成使得硅烷膜緊密地粘合在鋁合金表面,而硅烷的有機部分又可與表面涂層形成共價鍵,大大提高表面涂層與基體鋁合金的結合力,從而提高鋁合金的耐蝕性。改進其成膜性能及耐腐蝕性能方法主要有有機和無機雜化方法如加入無機納米SiO2,以及加入緩蝕劑如甲基苯駢三氮唑,苯駢三氮唑,鈰鹽以提高膜的耐蝕性,緩蝕劑加入起到了對膜層修補作用。硅烷處理主要問題對金屬基底表面處理要求高,合理pH 值選取很重要,穩定性及硅烷濃度的選取都會對成膜性能產生較大影響。

        (3)稀土化學轉化膜稀土轉化膜具有耐腐蝕性好的特點,被認為是最有希望取代鉻鹽的轉化處理工藝。但轉化膜主要由稀土化合物在金屬表面沉積而成,膜質不均,且膜層達到一定厚度變得蓬松、易脫落。僅用于基體的短時間防護。主要有鈰鹽及鑭鹽化學轉化膜。在環境惡劣條件下,單一成分的稀土轉化膜膜層厚度較小,而且表面易產生裂紋,導致膜層的耐腐蝕性能和耐摩擦性能不理想。

        (4)有機酸轉化膜有機轉化膜是指在金屬基體表面形成的難溶性配合物薄膜,具有耐腐蝕、抗氧化的作用,主要為含植酸和單寧酸的轉化膜。單寧酸是一種多元苯酚的復雜化合物,水解后呈酸性,與氟鈦酸等配合使用,應用于鋁合金表面既環保又滿足工業生產成膜時間短、顏色明顯、附著力好、耐蝕性強等要求。此外植酸也可用于鋁的氧化,植酸是金屬多齒螯合劑,在金屬表面與金屬絡合時,形成一層致密的單分子保護膜,能有效地阻止腐蝕介質滲入金屬表面,從而減緩了金屬的腐蝕。含有植酸、鈦鹽等組成的鈍化液,可以有效保護鋁合金,并且附著力強。

        (5)其他轉化膜其他轉化膜主要有①錳酸鹽轉化膜,高錳酸鉀溶液處理鋁合金可以得到錳鹽氧化膜,硅納米粒子增強了對于漆膜的附著力以及加速腐蝕實驗中的耐蝕性。②鈷鹽類轉化膜。使用鈷鹽或鉬鹽處理基體金屬,生成的膜具有較低的電阻和較好的耐蝕性。轉化液可以用于鋁、鋅、鎂等金屬表面成膜。③釩酸鹽轉化膜。釩的化學性質在很多方面與鉻相似。

        在水溶液中可以形成類似鉻元素一樣的可溶性高價態氧化性陰離子和不溶性氧化物。釩酸鹽作為一種很有希望替代有毒鉻酸鹽新型鈍化鹽之一。

        (6)類水滑石轉化膜類水滑石(LDHs)材料具有獨特的可插層性和層間陰離子可交互性,在金屬防腐蝕領域引起了研究者興趣。在堿性含鋅、鎂、鋰等陽離子溶液中在一定溫度下采用原位生長法可在鋁基體表面直接生長出LDHs 薄膜具有結合力牢固,附著力好,膜層細致特點,具有良好防腐蝕性能。

        利用水滑石膜的陰離子插層性可以進一步賦予LDHs 轉化膜多功能化,如自修復性、抗菌性、超疏水性及高耐蝕性等,以滿足鋁合金在惡劣腐蝕環境中對防腐蝕性能的要求。水滑石膜成膜動力學的研究將有助于其工業化應用。

        2、與國外的主要差距及解決方法在鋁合金表面處理方面和國外有一定的差距,這個題目有點大,我針對解決方法提幾條不成熟建議:

        (1)高校科研與實際應用應加強融合,瞄準國家重大的技術需求開展研究,希望未來進一步加強高校間合作,高校和企業的合作。

        (2)加強鋁合金在使役環境的防腐蝕研究,解決鋁合金表面處理原理和方法、產品生產過程中質量控制、產品消耗規律等方面問題。

        (3)隨著鋁合金用量進一步增加鋁輕量化發展,現有表面處理技術需要加強多學科融合以解決鋁合金表面防腐蝕及功能化協調問題。

        記者:鋁合金作為一種輕質工程材料,尚有很大的潛力需要挖掘。請您展望一下鋁合金的未來的發展方向?

        劉教授:隨著科技的日益發展與經濟全球化的不斷發展,相信在不久的將來鋁合金行業可以得到迅速的發展,而且開始代替鋼鐵的位置,其發展趨勢主要體現在以下幾個方面。

        1、研發在越來越苛刻的使用條件下(如海洋環境、島礁環境及極寒天氣等)機械性能得到改善的新合金。如鋁鋰合金、鋁鈧合金在航空航天等領域得到越來越多應用,相應的腐蝕機理及防護研究將得到加強。

        2、降低二氧化碳排放,充分利用有限的自然資源,未來人們將加強鋁合金的可持續循環利用。回收的合金含有較高的雜質,鐵、鎳、銅及鈷雜志對鋁合金的防腐蝕性能危害很大,因此,在合金設計/ 制造過程中,可以通過冶金工程優化微觀結構,將雜質含量減少到危害較小的程度。雜質存在同樣也會影響表面處理層的質量,有必要開發新的鋁合金表面處理,以糾正雜質的負面影響。

        3、開發鋁基復合材料。在原合金性能的前提下很多新型鋁基復合材料具有較好的物理性能及力學性能,采用粉末冶金技術制備陶瓷顆粒增強的鋁基材料(如粉末冶金SiC/Al 復合材料),可用于新能源汽車、高鐵用的叉車片等以替代鑄鐵件;通過軋制、燒結及整形工藝等制備雙層或多層粉末冶金復合材料。

        4、鋁合金增材制造的產品與傳統鍛造工藝的合金具有非常明顯不同的微觀結構。當考慮腐蝕防護時,值得考慮下這種特殊的異質結的微觀結構可能給防腐蝕性能帶來的正面作用。

        5、隨著裝配化建筑的進一步擴大,建筑用鋁合金增加,需要集耐腐蝕性、抗污、抗菌以及自修復等多種性能更加優異的產品,以此滿足建筑、及交通運輸、及航空航天領域的需要。

        6、鋁合金綜合利用技術、再生技術以及回收技術的發展、普及,進一步提高回收率。創新工藝設備,改善生產加工方式,提高鋁合金的生產質量,加快生產速度。

        后記
        滿眼生機轉化鈞,天工人巧日爭新。中國鋁合金行業經過多年的發展,發生了翻天覆地的變化,取得了舉世矚目的發展成就,但我們目前還面臨一系列的艱難和挑戰。我們相信在像劉婭莉教授這樣的科技工作者們的辛勤努力下,我國鋁合金技術發展一定能百尺竿頭更進一步。

        人物簡介
        yuekan_8_59_0.jpg劉婭莉,湖南大學化學化工學院教授,博士生導師,應化系主任。復旦大學材料物理與化學專業畢業,獲工學博士學位。加拿大卡爾加里大學高級訪問學者。主講高分子化學與涂料、涂裝工藝學,高等涂料化學及化學轉化膜等課程。研究方向為金屬腐蝕與防護、功能性涂層材料、高分子水性樹脂涂料、納米材料制備。主持國家自然科學基金,湖南省重大科技專項,湖南省戰略新興產業項目,湖南省自然科學基金,廣東省教育部產學研結合,浙江省重大科技專項,軍品配套及和中車公司、PPG 工業公司項目等。所主持的 “綠色高性能水性樹脂合成技術及涂料應用” 項目榮獲2016 年度湖南省技術發明貳等獎。在ACS Applied Materials & Interfaces、 Chemical Egineering Journal、Corrosion Science、 Applied Surface Science 等雜志上發表SCI 及核心期刊論文60 余篇,專著《聚氨酯樹脂防腐蝕涂料及應用》一本,授權專利18 項。現為中國機械工程學會表面工程委員會常務委員,湖南省涂料工業協會專家委員會主任,湖南省石油化工協會專家委員會委員,中國絕熱節能材料協會一體板分會專家委員會委員。是《中國涂料》、《電鍍與涂飾》、《材料保護》、《電鍍與涂飾》等雜志編委,長期擔任《材料導報》、《表面技術》、《CorrosionScience》審稿人。目前團隊共15 人,其中教授一名、副教授一名,博士5 人(其中工程博士一名)研究生8 名。

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