25、不锈钢基体表面陶瓷涂层的制备及性能表征
日期：25-01-08 时间：03:35 来源： 进口杀菌搪瓷钢板
25、不锈钢基体表面陶瓷涂层的制备及性能表征
3 .4 高温氧化动力学研究
3.4.1 氧化温度的选取
为研究温度对涂层试样抗高温氧化性能的影响，试验选取氧化温度为800℃、830℃、850℃和900℃,氧化21h 后，取出称重，绘制氧化动力学曲线。该曲线明显分为800~850℃和850~900℃两个区间。
在800~850℃范围内涂层试样的质量变化量很小，最大增重仅为0.06mg/cm²，氧化速率低，此氧化过程属于保护型氧化；而850~900℃范围内氧化增重速率较大，在900℃时氧化增重达到16.8mg/cm²，
表明涂层对不锈钢基体已不具有高温保护性，涂层进入破坏 型氧化阶段。因此，本试验选取800℃、830℃和850℃作为研究莫来石涂层高温氧化动力学的试验温度。
3.4.2氧化动力学研究
将涂层试样和无涂层不锈钢片置于电阻炉中，分别加热到800℃、830℃和850℃, 然后等温氧化不同时间，根据式(2-1),计算单位面积增重量，结果如表3-5。以单位面积质量变化△w与氧化时间作图，
绘制等温氧化动力学曲线。
表3-5不同氧化温度下的氧化增重(mg/cm²)
|
氧化温度 |
氧化时间/h |
|
4 |
10 |
21 |
30 |
|
800℃ |
0 |
0 |
0.01362 |
0.01725 |
|
830℃ |
0.00972 |
0.01869 |
0.02963 |
0.03521 |
|
850℃ |
0.02533 |
0.03861 |
0.06265 |
0.07662 |
随着氧化温度的升高，涂层试样的质量增重也随之增大。这是由于在高温下涂层试样的氧化控制因素主要是氧原子和金属元素在连续致密的莫来石涂层中的晶格扩散过程。温度越高，试样表面的氧
压也越高，扩散速率增大，易导致试样氧化增重加大。但试验制备的涂层试样氧化增重不明显，850℃氧化30 h 后其增重仅为0.076 mg/cm²，表明在此温度范围内，由于制备的莫来石涂层致密，能够
有效阻止大气中的氧原子向基体扩散，抗氧化性能优异。
依照上述氧化机理分析，试样的氧化增重曲线遵循抛物线公式:
（△w）²=K·t ......（3-1）
式 中 ：K 为氧化速率常数，t 为氧化时间。将氧化增重△w 的平方与氧化时间t作图，可知，涂层试样单位面积质量变化的平方与氧化时间呈直线关系，且温度越高，氧化增重速率越大，说明空气中
的氧原子在莫来石涂层中的扩散量也越大。对其中的各温度曲线进行线性拟合，便可获得不同温度下涂层试样的氧化增重速率常数与相关系数，如表3-6所示。
表3-6涂层试样在不同温度下氧化过程的速率常数与相关系数
|
T/℃ |
K/×10-⁵mg² ·cm-⁵h-¹ |
Correlation coefficient |
|
800 |
1.07 |
0.95754 |
|
830 |
4.28 |
0.99789 |
|
850 |
19.76 |
0.99702 |
表3-6中所列拟合方程的相关系数表明：0~30h 内膜层试样的氧化模型(式3-1)与莫来石涂层试样的氧化过程拟合良好。
根据Arrhenius关系式计算涂层试样高温氧化过程的活化能，即：
K=K0 exp(-E/RT) ......（3-2）
式中：K₀为常数；R为气体常数；T 为绝对温度(K)；E为氧化活化能(kJ.mol-1)。
结合表3-5中涂层试样在不同温度的氧化速率常数，对InK-1/T作图，得到线性曲线，通过计算可得出该曲线的斜率即氧化反应的活化能E和线性相关系数r。氧化过程的活化能与反应机理有关，活化能
越大表明氧化反应进行的越缓慢。莫来石涂层试样的氧化过程存在一个较大的活化能(E=573.12kJ.mol-1) 。文献利用溶胶-凝胶法在碳纤维编织体表面制备了SiO₂-Al₂O₃复合涂层，考察了其氧化动力学，
并计算了该涂层氧化过程中的活化能，其值为93.32 kJmol¹。因此，本试验制备的莫来石涂层在高温氧化过程中的活化能显著增大，明显降低了涂层的氧化速率。这是由于制备的莫来石涂层表面均匀、
致密，涂层本身起到了机械阻隔的作用，能够显著增大扩散原子的扩散通道，降低氧原子通过涂层的扩散速率，从而提高了氧化过程的活化能。
