鈰離子含量對鎂合金表面ZnAlCe-LDHs薄膜制備的影響研究★

王曉鴿

（1.山西工程職業(yè)學院，山西 太原030009；2.北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083）

盡管鎂合金具有高的比強度和比剛度等優(yōu)良性能，是目前工程應用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，但化學性質(zhì)活潑，耐腐蝕性差[1-4]。從研究鎂合金開始，鎂合金的防腐蝕問題一直是鎂合金研究的一個重要課題。近年來，水滑石類化合物制備工藝簡單、無毒且能量消耗少，其特殊的層狀結(jié)構(gòu)和組成使其具備了主題層板和插層客體的許多優(yōu)點，在防腐蝕領域展現(xiàn)出一定的應用前景[5]。Katsutoshi[6]和王吉會[7]等研究者發(fā)現(xiàn)元素Ce在表面薄膜制備中具有緩蝕和增強自修復能力的作用。本研究采用水熱法在鎂合金AZ91D表面制備了ZnAlCe-LDHs薄膜，并考察了Ce3+含量對ZnAlCe-LDHs薄膜制備的影響作用。

1 實驗

1.1 實驗試劑

本實驗中采用的實驗試劑有：NaOH，NaCO3，無水乙醇，乙酸鋅、乙酸鋁和丙酮，且均為分析純，由國藥集團化學試劑公司生產(chǎn)。實驗材料為AZ91D鎂合金，具體成分見表1。

表1 AZ91D鎂合金化學成分 %

1.2 實驗儀器

實驗過程中主要使用的儀器有：筆型pH計（型號AZ8685，由衡欣科技股份有限公司生產(chǎn)）；實驗室數(shù)顯恒溫加熱水浴鍋（型號DF-101S，上海力辰邦西儀器科技有限公司生產(chǎn)）；高溫高壓釜（型號KH-50，振和科學儀器有限公司生產(chǎn)）。

1.3 實驗方法

首先通過線切割機將試樣加工成10 mm×10 mm×3 mm的樣品，采用熱鑲法，留出一個表面用于制備薄膜，然后對保留的表面用水砂紙由粗150號到細依次打磨至2 000放入無水乙醇超聲清洗15 min后，用吹風機冷風吹干待用。將0.1 mol乙酸鋅、0.025 mol乙酸鋁、0.025 mol乙酸鈰和0.05 mol碳酸鈉共溶解在100 mL pH為7的去離子水中，保證n（Zn2+）/n（（Al3++Ce3+））摩爾比為2.0，且總離子摩爾數(shù)為0.2 mol，分別配制n（Ce3+）/n（Al3+）摩爾比分別為2∶1、3∶1和4∶1的溶液進行對比實驗，分別標記為試樣1、試樣2和試樣3，通過添加2 mol NaOH使各試樣溶液pH保持在10～11左右，實驗溫度65℃，水熱反應時間8 h，反應結(jié)束后，取出試樣用丙酮清洗干凈，熱風吹干備用。采用配有能譜的場發(fā)射掃描電鏡進行薄膜形貌與元素成分的分析。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 試樣1的SEM微觀形貌圖和EDS能譜分析結(jié)果

下頁圖1顯示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=2∶1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析。從圖1-1中可以看出在鎂合金表面生成棒狀花型結(jié)構(gòu)，且比較不均勻地分布，在此結(jié)構(gòu)上做EDS能譜（如圖1-3）發(fā)現(xiàn)只有Zn、C、O三種元素，沒有Al和Ce元素，說明當n（Ce3+）與n（Al3+）比例為2∶1時，未在AZ91D鎂合金表面生成ZnAlCe-LDHs薄膜。Zhou等[8]研究中發(fā)現(xiàn)，當反應溶液pH值高于11時，薄膜材料會生成棒狀結(jié)構(gòu)，且元素符合氧化鋅的組成，如圖1-4所示，故鎂合金表面生成的棒狀花型結(jié)構(gòu)化學成分是ZnO。

圖1 n（Ce3+）/n（Al3+）=2∶1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析

2.2 試樣2的SEM微觀形貌圖和EDS能譜分析結(jié)果

圖2顯示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=3∶1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析。從圖2-1中可以看出鎂合金表面膜層出現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，將上部放大得到2-2圖，呈現(xiàn)片層網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)與Liu等

[9]研究中所得到的形貌相一致。故上層應該是鎂合金表面制備所獲得ZnAlCe-LDHs薄膜，能譜分析中也顯示該結(jié)構(gòu)中含Zn、Al、Ce、O、H元素，如圖2-4所示。底部放大得到2-3圖，此結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)孔洞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與上部結(jié)構(gòu)與成分并不相同，從能譜分析圖中發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)上并不含有Al、Ce元素，Mg、C元素反而很多，這說明在鎂合金表面可能在水熱反應期間發(fā)生了其他反應，具體反應原理還需進一步研究。

圖2 n（Ce3+）/n（Al3+）=3∶1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析

2.3 試樣3的SEM微觀形貌圖和EDS能譜分析結(jié)果

圖3顯示的是n（Ce3+）/n（Al3+）=4：1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析。從圖3-1可以看出鎂合金表面膜層非常致密，并表現(xiàn)出鳥巢狀的維/納復合結(jié)構(gòu)，這種維/納復合結(jié)構(gòu)相互穿插并垂直于基體表面生長形成，能譜分析中也顯示該結(jié)構(gòu)中含Zn、Al、Ce、O、Mg元素，這說明該比例條件下生成的ZnAlCe-LDHs薄膜最完整，此外鎂合金表面生成的是這種維/納片層狀內(nèi)部可以儲存更多空氣，為制備超疏水表面提供了有利條件。

圖3 n（Ce3+）/n（Al3+）=4∶1時鎂合金表面膜層的SEM形貌和EDS能譜分析

3 結(jié)論

采用水熱法可以成功地在鎂合金表面原位制備ZnAlCe-LDHs薄膜，通過改變水熱反應溶液中n（Ce3+）與n（Al3+）的比例，當n（Zn2+）/n（（Al3++Ce3+））摩爾比保持為2.0不變時，n（Ce3+）與n（Al3+）的摩爾比取4∶1，鎂合金表面生成的ZnAlCe-LDHs薄膜最完整。