Grafen esaslı kompozit kaplamaların korozyon ve aşınma özellikleri

Günümüzde korozyon, aşınma ve kopma nedeniyle çok fazla malzeme kaybı yaşanmakta ve bunun sonucunda malzeme bozulması büyük ekonomik kayıplara neden olmaktadır. Bu kayıpların önlenmesi günümüz mühendislerinin en büyük araştırma alanlarından biridir. Farklı disiplinler bir araya gelir ve farklı düşünceleri kararlı bir şekilde ortaya çıkarır. Yeni bir malzeme üretmeden mevcut bir malzemeye farklı özellikler eklemek çok makul bir çözüm yöntemidir. Malzemedeki korozyon ve çatlaklar yüzeyde başlar ve malzeme kaybına yol açan sonuçlar doğurabilir. Yüzey mühendisliği bu alanda oldukça farklı çalışmalar ortaya koymaktadır. Krom (Cr) kaplamalar, yüzey özelliklerini iyileştirmek için uzun süredir oldukça verimli bir şekilde kullanılmaktadır. Bununla birlikte, üretim süreci çevresel faktörler ve insan sağlığı açısından oldukça tehlikelidir ve kullanımı sınırlıdır. Bu yönteme alternatif olarak güncel ve güncel olmayan kaplamalar geliştirilmiş ve geliştirmeleri araştırmacılar tarafından sürdürülmektedir. "Akımsız kaplama, metalik bir iyonun, elektrik enerjisi kullanmadan ve metali yüzeye biriktirmeden indirgeyici madde içeren sulu bir çözeltiden katalitik indirgenmesine dayanan kimyasal bir indirgeme işlemidir. Daha düzgün bir kaplama kalınlığı elde etmek için kullanılır. Mevcut kaplama ise akımsız kaplamaya göre daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaklaşık 50-60 ° C gibi düşük sıcaklıklarda, düşük maliyetle ve daha kısa sürede daha kalın bir kaplama tabakası elde edilir. Diğer bir avantaj, akımın yoğunluğudur ve verilen kesikli akım ek bir parametre olarak kullanılabilir. Hem anodik hem de katodik birçok malzeme, akımlı kaplama ile kompozit olarak kaplanabilir. " Ana matris bir metal, alaşım, seramik veya polimerdir ve parçacıklar küresel, açısal, plaka benzeri, katmanlı veya çekirdek kabuk gibi olabilir. Ek olarak, boyutları milimetreden birkaç nm'ye kadar değişebilir. Nikel, kompozit kaplamalarda matris olarak yaygın olarak kullanılır, çünkü yüksek sıcaklıklara dayanıklıdır, yüksek oksidasyon direnci gösterir ve ayrıca diğer metallerle alaşımlama kabiliyeti yüksektir. Aynı zamanda nikel (Ni) tane büyümesini ve tanelerin elektro kristalleşmesini azaltır ve önemli yapışma sağlar. Nikel bazlı kaplamaların sergilediği nikel-fosfor (Ni-P) alaşımının karakteristik özellikleri; olgun üretim süreci ve kontrol edilebilir kaplama performansı nedeniyle kaplama endüstrisinde sıklıkla uygulanmaktadır. Ni-P alaşımlı kaplamalarda yüksek sertlik, iyi korozyon direnci ve aşınma direnci gösterir. "Uygun maliyeti, mekanik ve yağlama özellikleri nedeniyle, kalitesi alüminyumun yapışma davranışına bağlı olan hassas alüminyum alaşımları için akımlı nikel-fosfor (Ni-P) kaplamalar kullanılabilir. Alüminyumun yüzeyinin hava ile temas ettiği anda bir oksit tabakasının oluşması, kaplamaların yapışmasını önemli ölçüde azaltır. Bu nedenle, akımlı kaplama işleminden önce alüminyum alaşımları üzerinde uygun ön işlemler yapılır. Grafen, hegzagonal bir kafes yapısına sahiptir ve kafeste tek karbon atomu katmanları olması nedeniyle iyi bir katı yağlayıcıdır. Ortam sıcaklığındaki yüksek elektron hareketi nedeniyle çok yüksek termal ve elektriksel iletkenliğe sahiptir. Bu avantajlardan dolayı, kompozit takviye olarak kaplamalara grafen eklenir. Metal bir matriste güçlendirilmiş grafen, mükemmel aşınma ve korozyon davranışı sergileyebilir. Bu özellikleri sergileme yeteneği, grafenin çözelti içindeki etkin homojen dağılımı ile doğru orantılıdır. Uysal ve meslektaşları, çalışmalarında Ni-W-TiO2 kaplama çözeltisine GO(GO) takviye ettiler ve sürtünme katsayısında önemli bir düşüş meydana geldiğini iddia ettiler (0'dan. 6'dan 0'a. 2). Kesikli akım (PC) kaplama teknolojilerinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Verilen akımın yoğunluğu düşük olduğunda daha büyük taneler gözlenir. Yüksek akımda iyon konsantrasyonunda hızlı bir düşüş pürüzlü bir yüzeyin oluşmasına neden olur. Kristalin tane boyutu çok uygundur çünkü alaşımın kimyası, dispersiyon, yüzeydeki parçacıkların kontrolü, geliştirilmiş toz morfolojisi, iyi sertlik ve iyi aşınma direnci avantajlarına sahip olan parti akımı kullanılarak kontrol edilebilir bir üretim süreci sunar. Kaplama banyolarında metalik ve ince (küçük) seramik partiküllerin elektrolitik olarak birlikte biriktirilmesi ile nanokompozit kaplamalarının üretiminin incelenmesi son yıllarda oldukça fazla çalışılmaktadır. Nanomalzemeler iki temel teknik yöntemle üretilmektedir: "aşağıdan yukarıya" ve "yukarıdan aşağıya" teknikler. Aşağıdan yukarıya tekniğinde, malzeme aşağıdan yukarıya doğru gelişir (atom atom, molekül molekül veya küme küme). Bu teknikte kolloid dispersiyonu üretilir. Yukarıdan aşağıya tekniği, bulk malzemeyle başlar ve onun tasarlanması veya aşındırılmasıyla ideal duruma doğru ilerler. Bu teknik, desenlerin kullanıldığı elektron ışın litografisine benzer. Nanoteknoloji endüstrisinde aşağıdan yukarıya ve yukarıdan aşağıya teknikler önemli bir rol oynamaktadır. Her iki tekniğin de en büyük avantajı yüksek saflıkta ultra küçük yapıların oluşturulmasıdır. Bununla birlikte, aşağıdan yukarıya yönteminin kullanılması, daha az veya hatasız, homojen ve uzun ve kısa vadeli düzenler gibi gelişmiş nanoyapılar üretir; bunların tümü serbest Gibbs enerjisi düşüşleri nedeniyle termal dengeli nanomateryallere neden olur. Ancak yukarıdan aşağıya teknikte, malzeme iç gerilime maruz kaldığından çoğunlukla malzeme yüzey kusurlarında artışa maruz kalır. Elektrolitik nanokompozit malzemelere olan ilgi, nanokompozit kaplamaların yüksek aşınma direnci, yüksek sıcaklıkta iyi korozyon ve oksidasyon direnci kaplanmış yüzeylerdeki kendinden yağlayıcılık gibi özelliklerinden dolayı son 20 yıl boyunca hızla artmıştır. Elektrolitik nanokompozit kaplamalar üzerine yapılan araştırmalarda; kaplamaların üretimi için banyonun kompozisyonu, partiküllerin konsantrasyonu, sıcaklık, akım yoğunluğu gibi optimum şartları belirleme yönünde çalışmalar yapılmıştır. Metal matrisli kompozit kaplamalar, elektrolitik bir banyo metal matrisi içerisinde polimerik veya seramik ince partiküllerinin biriktirilmesi yolu olan elektro-biriktirme yöntemi ile üretilebilir. Elektrobiriktirme; ikinci bir işlem olmaksızın basit bir adımda nanokompozit kaplama üretmek için düşük sıcaklıkta yapılan işlemdir. İkincil faz malzeme olarak partikül, fiber ya da visker şeklindeki partiküller kullanılabilmektedir. Bu çalışmada oksidasyon direnci düşük alüminyum yüzey mevcut yöntem kullanılarak Ni-P-GO ile kaplanmış ve elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. GO, son yıllarda en popüler katı yağlayıcılardan biridir. Kompozit kaplama çalışmalarında çelik altlıklar kullanılmıştır. 3x3,5 cm boyutlarında kesilen altlıklar, zımpara ve gerektiğinde parlatma kademelerinden geçirilerek yüzeyleri hazırlanmıştır. Kaplama öncesi altlıklar alkali ve asidik temizleme işlemlerine tabi tutulmuştur. Alkali temizleme için hacimce %20 NaOH-%80 H2O konsantrasyonuna sahip çözelti, asidik temizleme için ise hacimce %40HCl-%60H2O konsantrasyonuna sahip çözelti kullanılmıştır. Temizleme sonrası saf su ile bolca durulanan parçalar bekletilmeden kaplama banyosuna iletilmiştir. Elde edilen numunelerin faz analizleri Rigaku marka D/MAX 2000 model XRD cihazı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal özellikler, korozyon hızlarının belirlenmesi amacıyla, potansiyodinamik polarizasyon (Tafel) analizi uygulanmıştır. Potansiyodinamik polarizasyon ölçümleri, Gamry Interface 1000 Potansiyostat kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Tafel korozyon deneyleri, oda sıcaklığında, ağırlıkça %3,5 NaCl çözeltisi içinde gerçekleştirilmiştir. Korozyon testleri içinde klasik üç elektrotlu hücre kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Doymuş kalomel elektrot (SCE), Pt ve çalışma alanı 1 cm2 olan numuneler sırasıyla referans, karşıt ve çalışma elektrotu olarak kullanılmıştır. Tafel eğrisi, −1.0 V ila +1.0 V aralığında potansiyel tarama yoluyla elde edildi. Yapılan deneysel çalışmalar da farklı banyo bileşimlerinden elde edilen kaplamalar için mikrosertlik çalışmaları yapılmıştır. Kaplama tabakasının sertliğini ölçmek için Vickers sertlik analizi kullanılarak ölçülmüştür. Her bir numuneye en az 5 adet ölçüm yapılmıştır. Malzemenin üzerine kaplanan tabakanın sertliği, kesitin belirli bir süre yük altında kare piramit şeklindeki uçla batırılmasıyla ölçülmüştür. Bu çalışmada alaşım matrisine Ni-P eklenerek çok iyi bir korozyon hızı değeri (yaklaşık 10 mpy'ye kadar) elde edilmiştir. Farklı çalışma çevrimlerinde uygulanmış ve Ton süresinin artmasıyla tane büyüklüğü yaklaşık 28 nm'ye düşmüştür. Artan Ton süresi ile birlikte sertlik değeri en yüksek Ton süresine sahip olan numune için 592HV olarak elde edilmiştir. Literatüre bakıldığı zaman bu sonuçlar geleneksel olarak üretilen akımlı Ni-P kaplamalarla uyumludur. En iyi aşınma özelliklerine sahip kaplama, %80 iş çevrimi şartlarında üretilen numunede elde edilmiştir. Aşınma davranışının geliştirilmesinin diğer nedeni, GO'in yüksek sertliği, kaplama tabakasında oluşturduğu dispersiyon sertleştirmesi etkisinden dolayı kompozit kaplamaların sertliğinde artış da söylenebilir. GO partiküllerinin hacimce kaplama tabakasında daha fazla bulunması kaplamaya yüksek bir antikoroziflik özelliği katmıştır. Bunun sebebi GO'nun bal peteği katmanlarının alt tabakaya sağlamış olduğu korumadır ve bu azalan korozyon oranının açıklanmasında atfedilebilecek bir diğer nedendir. Bu bal peteği yapısı sayesinde iyon transferi geciktirilir ve bu doğrultuda korozyon akım yoğunluğu (Icorr) değerinde bir azalma, korozyon potansiyelinde ise pozitif yöne doğru bir kayma meydana gelir. GO tabakası, yüzeye iyonik birbariyer (anodik) etkisi yapar ancak korozyon oranında meydana gelen azalmada baskın faktör metalik iyonlaşma kinetiğinde meydana gelen azalmadır.