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摘要：石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，即由碳原子以 sp2 杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面结构、只有一个碳原子厚度的二维材料。它具有非常优异的光学、电学、热学、力学性能和超轻薄等特性，在新能源电池、航空航天传感器、纳米电子器件、复合材料等高端领域具有非常广阔的潜在应用前景，被认为是颠覆未来的新材料。鉴于此，本文主要分析铝合金表面石墨烯改性防腐涂层性能。
关键词：铝合金；石墨烯；改性防腐涂层
1、概述
铝合金是一种电负性很强的材料，在自然条件下其表面容易钝化形成保护性的氧化薄膜。但在海洋大气富含 Cl-的环境下，Cl-极易穿透铝合金表面的氧化膜造成严重的点蚀，且环境中存在的大量电位比铝更正的金属阳离子会加速铝合金的腐蚀，严重时会腐蚀穿透铝合金板。众多科研针对铝合金表面的腐蚀防护技术进行了深入研究探索，包括阳极氧化和阴极保护技术等，这些工艺均存在施工要求高，制造成本较高等缺点。而针对铝合金表面涂覆防腐涂料研究却鲜有报道，本文对用于铝合金表面防腐涂料的发展进行简单叙述。
目前使用比较多的防腐涂料有耐水解性好、强度高、附着性强的环氧树脂类和柔韧性好、耐磨性强以及耐化学腐蚀的聚氨酯类。为提高涂料的防腐性能，有研究者通过添加20%~30%经硅烷处理剂处理的玻璃鳞片制备出了较高性能的改性环氧树脂涂料；有通过添加 8%~9%的环氧树脂对聚氨酯涂料进行改性，提高了涂膜的耐水性和耐化学品性。以上通过对涂料进行改性均不同程度的提高了涂层的耐腐蚀性能，但均存在填料添加量较多，填料制备工艺复杂以及涂层制备成本高等问题。石墨烯是一种单层的二维石墨碳结构，拥有独特的几何形状和较强的物理性能，其微小片层结构、高机械强度、高导热性能和高导电性被广大科研人员发现可以引入到防腐领域中。
2、铝合金表面石墨烯涂层防腐机理
石墨烯涂层防腐机理可归结为四个因素：石墨烯的防水性、石墨烯的二维片状结构、石墨烯的小尺寸效应和石墨烯的快速导电性。
2.1、石墨烯的防水性
由于石墨烯仅有碳原子呈蜂窝六元环状单层排列，导致了在与水接触时，接触角度非常的大，和水的相容效果很不好，因此不能很好的吸收水分子，所以石墨烯的防水性能很好。当涂层中加入石墨烯时，由于石墨烯具有很好的防水性能，所以周围环境中的水分子很难穿透涂层到达易腐蚀金属的表面，局部构成不了原电池，从而可以减少金属表面腐蚀。
2.2、石墨烯的二维片层结构
石墨烯微观上是由一个原子厚度的许多片层组成，每一个二维片层之间通过层层堆积从而可以在三维空间上形成非常致密的物理隔绝层，这些隔绝层可以高效率的阻隔一些较小的腐蚀介质到达金属表面，所以利用石墨烯的二维片层结构可以保护金属，防止金属被腐蚀。
2.3、石墨烯的小尺寸效应
由于在制备涂层时多多少少存在一定量的缺陷及孔洞，而小尺寸的石墨烯可以填补到这些缺陷和孔洞中，因此在一定程度上可以延缓甚至阻止一些小分子腐蚀介质进入到金属基体中，可以增加涂层的物理隔绝作用，进而增强涂层的防腐性能。
2.4、石墨烯快速导电性
石墨烯的特殊结构可以使得石墨烯具有很好的导电性，从而能够把金属失去的电子快速的导入到涂层内部，阻止局部构成原电池，防止了腐蚀的发生。由于石墨烯的快速导电能力，可以把阳极反应生成的电子通过石墨烯传导到涂层表面，此时阴极反应因而会发生在涂层表面。所以阴极反应生成的大量 OH-就停留在金属表面不再与阳极反应生成的 Fe2+反应生成氢氧化亚铁 Fe（OH）2 沉淀，由于Fe2+不断的积累，阳极反应因而受到阻碍，即降低金属 Fe 的溶解，进而对金属表面进行防护，由此可以解释石墨烯的高导电性对金属基体防护是有效果的。
3、铝合金表面石墨烯改性防腐涂层性能研究
3.1、石墨烯改性防腐涂层微观结构
（1）扫描电子显微镜（SEM）
石墨烯掺杂量分别为 0.2%，0.4%，0.6 和 0.8%的防腐涂层的微观截面形貌。当石墨烯含量为 0.2%时，底漆截面部分孔隙较多，随着石墨烯添加量的增加，底漆涂层内部孔隙逐渐减少，在石墨烯掺杂量达到 0.8%时，其孔隙最少；面漆截面中没有出现孔隙，涂层致密，且其内部石墨烯的分布情况较为明显，当石墨烯含量为 0.2%，石墨烯主要集中于面漆中下方位置，当石墨烯添加量为 0.8%时，面漆顶部亦可观察到石墨烯的存在。
环氧底漆自身拥有优异的化学稳定性和粘结力，不仅对铝合金基体有防腐作用且可加强涂层与铝合金基体的结合强度，但其底漆涂层中孔隙率较大，腐蚀后期腐蚀离子充斥于涂层孔隙内部形成“水汽通路”。面漆是涂装过程中的最终涂层，不仅要有好的色度和亮度，更要求其表面耐污染，耐老化等。面漆涂层本身的孔隙较少，使用石墨烯进行掺杂改性，其孔隙没有观察到有明显差异，但石墨烯优异的导电性能使电子在涂层内的传导路径增大，同样可以改善涂层的防腐性能。
（2）外延生长法
碳化硅外延生长法：将碳化硅置于高温高压环境中，使硅原子蒸发，将碳原子留在载体上。该方法可以制备单层大面积石墨烯，其质量十分优异。但由于制备条件严苛、成本昂贵、转移困难，导致应用受限。金属催化外延生长法：在超高真空的条件下，将碳氢化合物加到具有催化活性的过渡金属基底表面，并通过加热使吸附在金属表面的气体催化脱氢得到石墨烯薄膜。对于碳原子来说要有较低的溶解度，这样才能通过化学腐蚀的方法使石墨烯与基底实现分离，不然不利于石墨烯的后续加工。
3.2、电化学性能
石墨烯添加量为 0.2%，0.4%，0.6%和 0.8%石墨烯改性防腐涂层的极化曲线，其自腐蚀电位的大小显示其腐蚀的难易程度，而自腐蚀电流密度则是表征其耐腐蚀能力的重要依据。从可以得知，制备态涂层自腐蚀电位为-0.76253V，石墨烯添加量为0.2%时，其自腐蚀电位没有发生位移；当石墨烯添加量为 0.4%时，自腐蚀电位正移，之后随着石墨烯添加量的增加，其自腐蚀电位出现先负移后正移的现象。石墨烯优异的导电性，加快了电子的流通，加大了电子在涂层内部的传导路径，在极化过程中使铝合金表面的氧化膜发生变化不同程度的阻碍了阳极反应（铝合金基体的溶解）和阴极反应（吸氧腐蚀）的进行，从而导致其阳极塔菲尔斜率和阴极塔菲尔斜率的变化，最终导致自腐蚀电位的正移或负移。
当石墨烯添加量高达 0.8%时，其耐腐蚀性能最弱且弱于制备态涂层的性能。在奈奎斯特图中还出现了感抗弧，感抗弧的出现是腐蚀离子 Cl-附着在铝合金表面，并且在不断的侵入，促使铝合金表面氧化膜的破坏，从而活化发生了点蚀现象，且随着腐蚀的进行基体表面的腐蚀产物慢慢堆积会对基体起保护作用。当石墨烯添加量为 0.2%时，其感抗弧半径最大，且随着石墨烯添加量的逐渐增加，感抗弧半径逐渐减小，腐蚀产物逐渐增多，腐蚀产物取代氧化膜形成新的“保护层”。该结果与塔菲尔曲线拟合数据后所得结论相符。
总之，随着经济快速发展的当代，大兴土木时代的基础设施都已建设完毕。但在土木建筑、船舶、铁路等领域都能够看到腐蚀的影子，由于腐蚀的存在造成了非常严重的后果，而目前传统防腐涂料已经无法满足当代社会发展的要求，面对巨大的防腐压力，亟待需求研发制备高效的、可持续的、绿色的、低成本的新型涂料。
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