納米氧化鋯/碳纖維改性環(huán)氧復(fù)合涂料的制備及其性能研究

吳 強(qiáng)， 冀國(guó)俊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

0 前 言

鋼鐵腐蝕造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至還會(huì)威脅到生命安全。 環(huán)氧樹(shù)脂(EP)形式多樣、種類繁多、電絕緣性優(yōu)良，常被用作載體用于復(fù)合型材料的研究等[1，2]，是預(yù)防腐蝕的常用材料之一。 但其在固化過(guò)程中產(chǎn)生的孔隙會(huì)嚴(yán)重影響環(huán)氧樹(shù)脂阻隔介質(zhì)的能力，從而引發(fā)腐蝕[3，4]。 添加填料是提高環(huán)氧涂層耐蝕性最有效便捷的方法之一，例如，氧化鋯(ZrO2)、氧化鈦(TiO2)、氧化石墨烯(GO)等[5-7]。 ZrO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的耐腐蝕、耐磨損性能，是制備涂層的最理想和常用的材料之一[8-10]。 碳纖維(Cnf)是一種含碳量高達(dá)90%的纖維，具有極高的強(qiáng)度和模量值，同時(shí)也是極佳的耐腐蝕、耐高溫、耐摩擦的材料，可以在惡劣的環(huán)境中發(fā)揮出最大的作用[11，12]。 Zhao 等[13]使用苯乙烯偶聯(lián)劑對(duì)納米ZrO2進(jìn)行改性，結(jié)果表明，改性后的ZrO2納米粒子具有優(yōu)越的穩(wěn)定性和高效的防腐性能。含2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))改性ZrO2納米粒子的環(huán)氧涂層在所有涂層試樣中表現(xiàn)出最好的腐蝕性能。 宋大雷等[14]用KH69 硅烷偶聯(lián)劑改性了納米ZrO2粒子，成功制備了改性納米ZrO2/環(huán)氧樹(shù)脂涂層，結(jié)果表明，改性后的納米ZrO2能顯著提高鎂鋰合金表面環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能，其中含1%納米ZnO2的改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層具有較好的耐蝕性能，在3.5%NaCl 溶液中浸漬528 h 后的低頻阻抗值為1.6×109Ω·cm2，相比純環(huán)氧樹(shù)脂涂層提高約5 個(gè)數(shù)量級(jí)。 黃麗堅(jiān)等[15]將石墨、Cnf、納米ZrO2分別添加到環(huán)氧樹(shù)脂中，制備了環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層，考察了不同填料含量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂涂層的摩擦性能的影響，結(jié)果表明，納米ZrO2含量為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合涂層的磨損率為純環(huán)氧樹(shù)脂涂層的30%。

盡管添加填料可以提高環(huán)氧涂層的保護(hù)能力和延長(zhǎng)使用壽命，但是面對(duì)復(fù)雜多變的服役環(huán)境時(shí)，單一的填料已經(jīng)不能滿足要求。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合填料的研究較少。 本工作通過(guò)硅烷偶聯(lián)劑KH560 對(duì)ZrO2和Cnf 進(jìn)行改性，制備得到復(fù)合填料ZrO2-Cnf，通過(guò)電化學(xué)阻抗譜與極化曲線、維氏硬度和摩擦磨損性能測(cè)試等方法來(lái)探究改性納米ZrO2和ZrO2-Cnf 對(duì)環(huán)氧涂層防腐蝕性能和耐磨損性能的影響。

1 試 驗(yàn)

1.1 改性ZrO2和ZrO2-Cnf 的制備

取5 g 納米ZrO2粉末(粒徑100 nm)加入100 mL無(wú)水乙醇中，超聲分散30 min 后加入30 mL 的硅烷偶聯(lián)劑KH560，將混合溶液在60 ℃下攪拌6 h，然后用無(wú)水乙醇離心洗滌KH560，烘干后得到改性納米ZrO2粉末。 將0.1 g Cnf(直徑100 ～200 nm)加入50 mL 無(wú)水乙醇溶液中，超聲分散1 h 后加入15 mL KH560，60 ℃攪拌6 h，再加入1 g 制備完成的改性納米ZrO2，繼續(xù)攪拌6 h，洗滌烘干后得到ZrO2-Cnf 粉末。

1.2 ZrO2和ZrO2-Cnf 涂層的制備

使用市售Q235 鋼板為金屬基體，尺寸為20 mm×20 mm×1 mm 。 使用400 目和1 200 目的砂紙對(duì)Q235鋼板進(jìn)行打磨除去表面的鐵銹和雜質(zhì)，然后將打磨好的鋼板放入含有無(wú)水乙醇的燒杯中超聲清洗15 min，接著使用蒸餾水沖洗后放入烘箱中吹干備用。 由于E-51環(huán)氧樹(shù)脂常溫下黏度高，所以在使用時(shí)應(yīng)對(duì)其加熱至100 ℃使黏度降低，方便使用。 使用二甲苯12 g和正丁醇3 g，混合之后作為溶劑，將E-51 環(huán)氧樹(shù)脂15 g 加入溶液，固化劑二乙烯三胺的使用量為環(huán)氧樹(shù)脂的10%～11%。 分別取質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%，2%，3%和4%的ZrO2和ZrO2-Cnf 加入環(huán)氧溶液中，將溶液在30 ℃下磁力攪拌2 h，即制得涂料。 將制得的涂料放入噴槍中，使用空氣壓縮機(jī)在0.7 MPa 的壓強(qiáng)下，通過(guò)噴槍將涂料均勻噴在Q235 鋼板上，然后在100 ℃下固化1 h，即制得完整的涂層樣品，涂層厚度65.5 μm 左右。

1.3 測(cè)試分析

使用S-3400N 掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)涂料的微觀形貌和涂層樣品的表面形貌和橫截面進(jìn)行觀察。 在測(cè)試之前，首先要將涂層用導(dǎo)電膠固定在樣品臺(tái)上，由于環(huán)氧樹(shù)脂具有電絕緣性，需要對(duì)樣品的被觀察面進(jìn)行噴金處理，然后將樣品臺(tái)放入樣品室，抽真空，觀察形貌。

使用NEXUS67 傅里葉紅外轉(zhuǎn)換光譜儀對(duì)ZrO2和ZrO2-Cnf 在400～4 000 cm-1范圍內(nèi)的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。 將KBr 放置在烘箱中，120 ℃干燥2 h，將ZrO2和ZrO2-Cnf 與干燥后的KBr 混合，充分研磨后壓片測(cè)試。

使用HXD-2000TM/LCD 維氏硬度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行硬度表征，壓力50 N，每個(gè)樣品測(cè)量3 次取平均值。

使用CS350 型電化學(xué)工作站測(cè)試電化學(xué)性能，測(cè)試體系為三電極體系，電解質(zhì)為3.5%NaCl 溶液，測(cè)試溫度在25 ℃，參比電極選用飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，測(cè)試頻率為1.0×(105～10-2) Hz，涂層試件為工作電極，有效測(cè)試面積為1 cm2。

使用CFT-I 材料表面性能綜合測(cè)試儀對(duì)樣品進(jìn)行磨損試驗(yàn)，每個(gè)樣品測(cè)試3 次取平均值。 施加載荷500 N，時(shí)間10 min，每分鐘往復(fù)次數(shù)500 次，長(zhǎng)度5 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料的組織結(jié)構(gòu)

圖1 為ZrO2、改性ZrO2、Cnf 和ZrO2-Cnf 的傅里葉紅外光譜。 由圖1a 可以看出，和未改性的納米ZrO2相比，改性ZrO2在1 030，1 170 cm-1處出現(xiàn)了峰值，分別對(duì)應(yīng)為Si-O-Zr 和Si-O-Si 的伸縮振動(dòng)峰，表明KH-560已經(jīng)接枝在納米ZrO2顆粒表面， 510 cm-1為Zr-O-Zr的伸縮振動(dòng)峰。 圖1b 中，3 414 cm-1處的特征峰是由于ZrO2表面的-OH 振動(dòng)峰引起的，另外2 930 cm-1和2 856 cm-1對(duì)應(yīng)于-CH3-和-CH2-特征吸收峰[16]，表明碳纖維表面存在KH560，而在1 102 cm-1處存在Si-O-C特征峰[17]，以上說(shuō)明KH560 已經(jīng)成功通過(guò)化學(xué)鍵接枝到ZrO2和ZrO2-Cnf 表面。

圖1 ZrO2、改性ZrO2、Cnf 和ZrO2-Cnf 的FT-IR 光譜Fig.1 FT-IR spectra of unmodified/modified ZrO2， Cnf and ZrO2-Cnf

2.2 微觀形貌

圖2 為ZrO2、改性ZrO2、ZrO2-Cnf 和2%ZrO2/EP 涂層截面的SEM 形貌。 由圖2a 和圖2b 可以看出，未改性的ZrO2顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，由于顆粒表面能較大，極易發(fā)生團(tuán)聚。 而經(jīng)過(guò)改性之后ZrO2顆粒的團(tuán)聚情況得到了明顯的改善，這是由于硅烷偶聯(lián)劑KH560 水解后Si-OH與ZrO2表面的-OH 反應(yīng)，在ZrO2顆粒表面形成一層薄膜，使ZrO2顆粒間范德華引力降低，團(tuán)聚情況得到改善[16]。由圖2c 可以看出，ZrO2顆粒附著在Cnf 表面，但是ZrO2分布并不均勻，粒徑大小也有差距，這可能是由于硅烷偶聯(lián)劑KH560 水解后Si-OH 與ZrO2表面的-OH 反應(yīng)不充分，顆粒沒(méi)有徹底分散。 由于除涂料外，試驗(yàn)所需的試劑和涂膜方式及條件均一致，所以涂層的厚度值差距不大。由圖2d 可得涂層厚度在65.5 μm 左右，厚度基本一致。

圖2 ZrO2、改性ZrO2、ZrO2-Cnf 和2%ZrO2/EP 涂層截面的SEM 形貌Fig.2 SEM image of ZrO2， modified ZrO2， ZrO2-Cnf and 2%ZrO2/EP coating cross-section surface

圖3 為環(huán)氧樹(shù)脂涂層和ZrO2/EP 涂層的表面SEM形貌。 圖3a 為環(huán)氧樹(shù)脂涂層的表面形貌，可以清晰地看到在涂層表面有許多大小不一的孔隙和氣泡，這是環(huán)氧樹(shù)脂在高溫固化時(shí)，涂層內(nèi)部的揮發(fā)性溶劑揮發(fā)時(shí)留下的通道，這些缺陷給涂層的性能造成嚴(yán)重的影響[18，19]。 圖3b～圖3e 為ZrO2添加量為1%～4%時(shí)涂層的表面形貌。 可以清晰地觀察到，隨著ZrO2含量的增加， 納米粒子的團(tuán)聚現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。 當(dāng)填料添加量為1%時(shí)，涂層的表面最為平整，由于ZrO2粒子的含量較少，ZrO2顆粒和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合不充分，但是相比較于純環(huán)氧樹(shù)脂涂層，表面已經(jīng)觀察不到明顯的缺陷。當(dāng)ZrO2的添加量為2%時(shí)，ZrO2和環(huán)氧樹(shù)脂有較好的相容性，涂層的表面狀態(tài)較好。 ZrO2添加時(shí)為3%時(shí)，ZrO2粒子開(kāi)始堆積成團(tuán)，4%時(shí)密集團(tuán)聚的現(xiàn)象最為嚴(yán)重，此時(shí)就會(huì)影響到涂層的性能。

圖3 EP 涂層和ZrO2/EP 涂層的SEM 形貌Fig.3 SEM morphology of EP coating and ZrO2/EP coating

圖4 為ZrO2-Cnf/EP 涂層的表面形貌。

圖4 ZrO2-Cnf/EP 涂層的SEM 形貌Fig.4 SEM morphology of ZrO2-Cnf/EP coating

從圖4a 來(lái)看，涂層表面分布著大小不一、數(shù)量較多的孔隙，這是由于填料的含量低，不能完全阻隔孔隙。 當(dāng)添加量增加到2%時(shí)，如圖4b 所示，盡管涂層表面依然存在缺陷，但是孔隙的數(shù)量變少，只存在零星的幾個(gè)小孔。 由于Cnf 有著較大的表面能，容易發(fā)生纏繞，在繼續(xù)增加添加量時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，涂層表面存在未分散的大塊顆粒，如圖4c 所示。 當(dāng)添加量達(dá)到4%時(shí)，如圖4d 所示涂層表面已經(jīng)變得不均勻平整了，團(tuán)聚現(xiàn)象加重并伴隨著很多孔隙，而且比較發(fā)現(xiàn)，此時(shí)的孔隙要比1%時(shí)涂層表面的孔隙大。

2.3 硬 度

圖5 為納米ZrO2/EP 涂層和ZrO2-Cnf/EP 涂層的硬度。 由柱狀圖可知，3%ZrO2/EP 和ZrO2-Cnf/EP 涂層的硬度值最大，分別為32.9 HV5.0和46.6 HV5.0。 這是由于納米ZrO2自身具有硬度高的特點(diǎn)，它的加入可以形成保護(hù)層，有效提高環(huán)氧樹(shù)脂涂層的硬度。 而Cnf沿軸向方向具有強(qiáng)度和模量，當(dāng)納米ZrO2粒子對(duì)Cnf包覆之后，形成了更加致密的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的保護(hù)層，使硬度大幅度提升。 當(dāng)納米ZrO2和復(fù)合填料的添加量超過(guò)3%時(shí)，會(huì)發(fā)生粒子的團(tuán)聚，在涂層表面分布不均，材料的力學(xué)性能下降；而且在固化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的孔隙，致密性遭到破壞，導(dǎo)致硬度降低。

2.4 電化學(xué)性能

通過(guò)電化學(xué)阻抗譜比較不同含量ZrO2/EP 和ZrO2-Cnf/EP 涂層的防腐性能。 圖6 為Q235 鋼和不同填料含量ZrO2/EP 涂層的Nyquist 譜和Bode 譜。 在浸泡30 min 后，隨著納米ZrO2添加量的增加，阻抗弧的半徑大小呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，純環(huán)氧涂層在固化時(shí)由于內(nèi)部溶劑揮發(fā)而留下孔徑和缺陷，導(dǎo)致純環(huán)氧樹(shù)脂涂層的耐腐蝕性能要低于ZrO2/EP 涂層。 通過(guò)觀察可以看到，添加量為2%時(shí)的ZrO2/EP 涂層的阻抗弧半徑遠(yuǎn)大于其余涂層，即耐腐蝕性能最佳。 當(dāng)納米ZrO2的添加量超過(guò)了2%時(shí)，由于納米粒子間的相互作用力的影響，納米粒子會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致分散不均勻，不能阻斷水分子、氯離子等腐蝕介質(zhì)通過(guò)涂層接觸基體的通道，而降低了涂層的耐腐蝕性能，阻抗弧的半徑開(kāi)始變小。 由圖6b 中可以看出，2%時(shí)ZrO2/EP 涂層的阻抗模量最大，在頻率0.01 Hz 處的｜Z｜0.01Hz為5.023×105Ω·cm2，其余涂層阻抗模量按阻抗弧半徑順序依次降低，同樣證明填料添加量為2%時(shí)ZrO2/EP 涂層的耐腐蝕性能最佳[20]。 由圖6b 相位角圖中可以觀察到，添加量為2%時(shí)ZrO2/EP 涂層的相位角最大為66.05°，之后開(kāi)始依次減小，所有涂層相位角數(shù)值差別不大，說(shuō)明涂層表面的均勻性和完整性比較接近。 所有涂層都只在中/高頻處出現(xiàn)1 個(gè)峰，均只表現(xiàn)為1 個(gè)時(shí)間常數(shù)，它的特征是單一的阻抗弧，說(shuō)明腐蝕介質(zhì)還未接觸到基體，腐蝕還沒(méi)有發(fā)生，涂層目前起到了良好的屏蔽的作用。

圖6 浸泡30 min 后Q235，EP 和ZrO2/EP 涂層的Nyquist 譜和Bode 譜Fig.6 Nyquist and Bode diagrams of Q235，EP and ZrO2/EP coatings after 30 min of immersion

圖7 為各添加量ZrO2-Cnf/EP 涂層在浸泡30 min后的Nyquist 譜和Bode 譜。 填料添加量為2%的ZrO2-Cnf/EP 涂層的阻抗半徑遠(yuǎn)大于其余涂層的阻抗半徑，防腐性能是最好的。 從圖7a Nyquist 譜中可以觀察到，填料含量為1%～4%的4 種涂層均只有1 個(gè)阻抗弧。填料不但可以有效阻塞涂層的微孔，Cnf 形成更加致密的保護(hù)層，這就使腐蝕介質(zhì)接觸到基體變得更加困難，延緩了腐蝕時(shí)間，為涂層提供了更長(zhǎng)久的防護(hù)[21]。 如圖7b 所示，2%ZrO2-Cnf/EP 涂層在頻率0.01 Hz 處測(cè)得的｜Z｜0.01Hz最大，為6.227×106Ω·cm2。 4%ZrO2-Cnf/EP 涂層的相位角曲線中的低頻和中/高處出現(xiàn)明顯的2 個(gè)峰，即2 個(gè)時(shí)間常數(shù)，說(shuō)明此時(shí)腐蝕介質(zhì)已經(jīng)接觸到了基體，涂層開(kāi)始失效，其余各涂層均表現(xiàn)為1個(gè)時(shí)間常數(shù)，說(shuō)明腐蝕介質(zhì)還未接觸到基體，腐蝕還沒(méi)有發(fā)生。 相位角數(shù)值差別較大，也表明涂層表面的均勻完整性差別較大。

通過(guò)等效電路對(duì)EIS 結(jié)果進(jìn)行模擬以此來(lái)判定腐蝕階段[22，23]，如圖8 所示。 等效元件Rs、Rp、CPEcoat、CPEdl和Rct分別表示電解液電阻(工作電極與參比電極之間的電阻)、涂層孔隙電阻、涂層電容、雙電層容和電荷轉(zhuǎn)移電阻。 由于涂層表面存在缺陷，采用恒相位角元件代替理想電容器[24]。n(0≤n≤1)為彌散系數(shù)，和CPEcoat有關(guān)；當(dāng)n＝1 時(shí)，CPEcoat表現(xiàn)出理想的電容特性；當(dāng)n＝0 時(shí)則表現(xiàn)為電阻特性。 較高的Rp值代表著涂層的阻隔性能較好[25]。

圖8 等效電路Fig.8 Equivalent circuits

根據(jù)圖6 和圖7 中的Nyquist 譜和Bode 譜中都可以觀察到，純環(huán)氧樹(shù)脂涂層、納米ZrO2/EP 涂層，ZrO2-Cnf/EP(1%～3%)均只有1 個(gè)阻抗弧，即只有1 個(gè)時(shí)間常數(shù)。 在這一時(shí)間段內(nèi)，水分子和氯離子等腐蝕介質(zhì)還沒(méi)有通過(guò)孔徑滲透到涂層/基體界面，對(duì)應(yīng)的等效電路為圖8a。 隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，填料添加量為4%的ZrO2-Cnf/EP 涂層逐漸失效，水分子和氯離子等腐蝕介質(zhì)通過(guò)涂層內(nèi)部的通道滲透到金屬基體表面，發(fā)生腐蝕反應(yīng)，對(duì)應(yīng)的等效電路為圖8b。 表1 為樣品的擬合參數(shù)，與電化學(xué)測(cè)試結(jié)果相吻合。 同時(shí)，通過(guò)比較表1中Rp的值可以看出，在填料含量相同時(shí)，ZrO2-Cnf/EP涂層的耐腐蝕性能是要優(yōu)于ZrO2/EP 涂層的。

表1 等效電路的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters for equivalent circuits

圖9 為各種試樣在3.5%NaCl 溶液中浸泡30 min后的極化曲線。 通常來(lái)說(shuō)樣品的腐蝕電位越正，抗腐蝕能力越強(qiáng)，腐蝕電流密度越小，樣品的耐腐蝕性能越好[26，27]。 如圖9a 所示，Q235 鋼的自腐蝕電位在所有樣品中最負(fù)，也就意味著在受到外界的擾動(dòng)時(shí)，抵御干擾的能力最差，越容易發(fā)生腐蝕。 在添加填料之后，涂層的自腐蝕電位逐漸開(kāi)始正移[28]。 隨著添加量的增加，在2%時(shí)涂層的自腐蝕電位最正，繼續(xù)增加填料含量，自腐蝕電位開(kāi)始變負(fù)。 圖9b 中樣品的變化趨勢(shì)均和圖9a 中是相同的。

圖9 不同樣品在3.5%NaCl 溶液中的極化曲線Fig.9 Polarization curves of different samples in 3.5%NaCl solutio

表2 給出了各樣品的極化曲線擬合參數(shù)，Ecorr、Jcorr和CR分別代表自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和腐蝕速率。 數(shù)據(jù)所反映樣品的變化趨勢(shì)和極化曲線的情況一致。 經(jīng)過(guò)比較，ZrO2/EP(2%)和ZrO2-Cnf/EP(2%)的腐蝕電流密度比同組的其余樣品小1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)，而在填料含量相同的情況下，ZrO2-Cnf/EP 涂層腐蝕電流密度均小于ZrO2/EP 涂層，這和EIS 的數(shù)據(jù)是吻合的，再次說(shuō)明ZrO2-Cnf/EP 涂層的防腐效果要比ZrO2/EP 涂層好。

表2 不同樣品在3.5%NaCl 溶液中的極化參數(shù)和腐蝕速率Table 2 Polarization parameters of different samples in 3.5%NaCl solution and corrosion rate

2.5 耐磨性

圖10 為2 種涂層經(jīng)3 次磨損后計(jì)算得到的平均磨損量。

圖10 2 種涂層的平均損失量Fig.10 Average loss of the two coatings

可以看到，在填料加入之后，環(huán)氧涂層的磨損量都發(fā)生了明顯的降低。 在1%～3%時(shí)，ZrO2-Cnf/EP 涂層的磨損量小于ZrO2/EP 涂層，由于Cnf 的高模量和強(qiáng)度，可以更有效地提升涂層的耐磨性，其中2%時(shí)磨損量最小。 當(dāng)填料添加量為3%， 4%時(shí)填料的分散性較差，發(fā)生團(tuán)聚，涂層表面凹凸不平，影響了耐磨性。 而碳纖維本身的自潤(rùn)滑性，降低了涂層的摩擦系數(shù)，也會(huì)使得磨損量減小[29]。

圖11 為2 種涂層的摩擦系數(shù)。 環(huán)氧樹(shù)脂的摩擦形式以黏著摩擦為主，剝離的殘?jiān)鼤?huì)造成摩擦的不穩(wěn)定，這也是環(huán)氧涂層的摩擦系數(shù)波動(dòng)較大的原因[30]。環(huán)氧樹(shù)脂作為一種高聚物對(duì)溫度很敏感，隨著溫度的升高會(huì)從玻璃相轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z相， 因此摩擦面間的黏著作用會(huì)加強(qiáng)， 使得摩擦系數(shù)增加， 若溫度進(jìn)一步升高，會(huì)使復(fù)合材料的力學(xué)性能下降， 從而降低摩擦系數(shù)。所以在試驗(yàn)初期，涂層的摩擦系數(shù)較高，隨著摩擦?xí)r間的延長(zhǎng)，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)[31]。

圖11 2 種涂層的摩擦系數(shù)Fig.11 The friction coefficient of the two coatings

表3 是各樣品的摩擦系數(shù)范圍。 結(jié)合圖11 對(duì)各樣品進(jìn)行比較，在添加2 種填料之后，2 種涂層摩擦系數(shù)的整體變化趨勢(shì)都是變小的。 對(duì)比ZrO2/EP 涂層，當(dāng)填料中含有Cnf 時(shí)，ZrO2-Cnf/EP 涂層的摩擦系數(shù)更小。 這是由于Cnf 的石墨層結(jié)構(gòu)， 使其具備了自潤(rùn)滑的特性，以及和ZrO2的協(xié)同作用。 在摩擦過(guò)程中，由于Cnf 提供的力學(xué)支撐作用，導(dǎo)致磨損量較小，零散的磨屑在摩擦面起到潤(rùn)滑的作用。

表3 樣品的摩擦系數(shù)范圍Table 3 Range of friction coefficients of samples

3 結(jié) 論

(1)傅里葉紅外光譜和掃描電鏡結(jié)果表明，硅烷偶聯(lián)劑KH560 對(duì)納米ZrO2和碳纖維Cnf 雜化后，ZrO2粒子和Cnf 通過(guò)KH560 進(jìn)行了化學(xué)鍵合。

(2)掃描電鏡形貌可以觀察到，添加2%填料時(shí)，2種納米改性涂層表面均較為平整和致密。 電化學(xué)阻抗分析結(jié)果表明，ZrO2和ZrO2-Cnf 2 種填料均可提高環(huán)氧涂層的耐腐蝕能力，且均在2%時(shí)達(dá)到最佳，后者對(duì)環(huán)氧涂層的提升效果更大，但過(guò)多會(huì)導(dǎo)致團(tuán)聚影響耐腐蝕性。

(3)維氏硬度表征結(jié)果表明，2 種填料均可提升環(huán)氧涂層的硬度，1%，2%，3%含量下ZrO2-Cnf 對(duì)環(huán)氧涂層硬度的提高優(yōu)于ZrO2，當(dāng)2 種填料的含量為3%時(shí)，硬度值最大，分別為32.9 HV5.0和46.6 HV5.0。 磨損量和摩擦系數(shù)表明，在1%，2%，3%含量下，ZrO2-Cnf 對(duì)環(huán)氧涂層的耐磨性提升要優(yōu)于ZrO2。