C / Si的影响比a-SiC的电化学行为_x:H涂料SS301衬底上沉积的PECVD。

文摘

非晶态氢化碳化硅(a-SiC_x:H)涂层沉积在不锈钢301 (SS301)使用等离子体增强化学汽相淀积与甲烷气体流从30到90 sccm。XRD谱证实这些涂料的无定形结构。as-deposited涂料都表现出均匀致密特性,而且没有观察到疏在SEM和AFM分析。的a-SiC_x:H涂料显著增加SS301基体的耐蚀性。与a-SiC C浓度的增加_x:H涂料表现出显著增强电化学行为。的a-SiC_x:H涂层碳浓度最高的作为一个优秀的电荷转移的障碍,腐蚀电流一个/厘米²和击穿电压为1.36 V,相比一个/厘米²和0.34 V SS301衬底。

1。介绍

全球对不锈钢的需求迅速增加。相结合的高耐蚀性、低维护、和力量使它适合各种工业应用(1]。良好的耐腐蚀不锈钢主要取决于其钝化。的铬合金形成一个自愈致密氧化层和防止腐蚀物种渗透到室内材料(2,3]。然而,当不锈钢是暴露于恶劣的环境,如海水或酸雨,激进的卤化物离子(Cl⁻、溴⁻,我⁻等)可能穿透防护层,导致当地的这部电影(4]。这种现象会导致microgalvanic细胞的形成,在坑作为阳极和周围完整的区域是阴极,形成坑的加速度增长和化学溶解(5- - - - - -7]。

为了防止不锈钢攻击从激进的腐蚀环境,陶瓷涂层沉积作为保护层。碳化硅(SiC)以其杰出的性能在腐蚀性,腐蚀性,磨料媒体(8,9]。具有良好的机械性能、低摩擦特性和优越的耐蚀性。在过去的几年中,许多组织已经采用各种手段制造碳化硅,例如,reaction-bonded SiC [10],烧结碳化硅[11- - - - - -13SiC[],和心血管疾病8,14- - - - - -18]。,CVD SiC展品同质密集特点以及金属衬底附着力好,使它更好的候选人作为防护涂层对腐蚀不锈钢。

碳化硅薄膜的结晶度依赖于沉积温度。廖et al。19)沉积nanocrystalliteβ碳化硅薄膜的热等离子体化学汽相淀积,他们获得了超硬薄膜硬度相当于大约50 GPa衬底温度高于1473 K。吴et al。20.]研究了腐蚀的一个三维的SiC /碳化硅复合晶体CVD碳化硅涂层包含Na的环境中₂所以₄蒸汽、氧气和水蒸气在温度高于1200 K。他们发现腐蚀行为很大程度上与温度有关,和晶界严重袭击在温度高于1473 K。巴林杰et al。14]研究腐蚀773 K的CVD SiC超临界水。他们发现CVD SiC在晶界优先攻击。碳化硅表面水解水化硅氧物种和迅速进入超临界水中溶解腐蚀。

非晶态氢化碳化硅(a-SiC_x:H)可以获得以低得多的温度(约500至900 K)。尽管它有较低的硬度(~ 10 ~ 25 GPa (21]),a-SiC_x:H,像其他非晶态合金,展品优越的耐蚀性,由于缺乏线和刨床缺陷(例如,混乱和晶界)以及缺乏化学不均匀性(18]。

尽管a-SiC_x:H在不同方面深入研究,PECVD a-SiC "的防腐性能_x:H涂层不锈钢还没有系统地研究了利用电化学技术。在本文中,我们试图探索a-SiC的电化学行为_x:与不同的C / H涂料Si比奥氏体不锈钢301 (SS301)衬底。这些涂料包括腐蚀电流的各种电化学性能,耐击穿电压,电荷转移了。电化学阻抗谱(EIS)是给直接进行评价SS301衬底和a-SiC的耐蚀性_x:H涂料。此外,波长色散x射线能谱(WDS)和原子力显微镜(AFM)分析建立良好的理解进行了全面的属性,以及与a-SiC的电化学行为的相关性_x:H涂料。

2。实验

2.1。涂层沉积

的a-SiC_x:H涂层沉积在镜面抛光SS301衬底在无线电频率(RF, 13.56 MHz) PECVD系统。"SS301基质,维度25毫米×25毫米×1毫米,1机械抛光μm rms(均方根)表面光洁度,紧随其后的是超声波清洗在丙酮和酒精浴沉积前10分钟。

先后撤离了PECVD室"扶轮和涡轮分子泵达到基础1×10的压力⁻⁶托。氩等离子体的基质被气急败坏的偏压下30分钟,−600 V和温度,573 K,以去除表面氧化层增强涂层的附着力衬底(22]。在沉积过程中,工作压力,,保持在100毫托、−600 V和300°C。气体流量、相应的元素组成,均方根粗糙度如表所示1。整个沉积过程持续了40分钟。

2.2。涂料的特性

a-SiC的元素组成_x:H涂料是由wavelength-dispersive光谱学(WDS, JXA jeol - 8900 l)在Acc。5千伏的电压。证实了无定形结构的涂层掠入射x射线衍射(XRD)测量Rigaku Rotaflex ru - 200 b x射线衍射仪和入射角的铜x射线管1.5°。

飞利浦XL30场发射扫描电镜(FESEM)配备一个能量色散x射线谱分析系统(EDS)是用来描述a-SiC_x:H涂料。涂层的厚度是2.5 ~μ米是由斯隆Dektak II轮廓曲线仪测量和横断面扫描电镜观察。

形貌和粗糙度测量通过原子力显微镜(AFM,毫微秒示波器III)配备一个锑掺杂硅提示在输入模式下,扫描面积3μm×3μm和分辨率为512×512。

机械性能,硬度()和杨氏模量降低(),涂料是由triboindenter系统(Hysitron)配备了一下金字塔顶端使用深度传感缩进技术(23]。对于每一个样本,和从获得至少25和高峰负荷从1到5不等压痕吗μN,荷载位移曲线被奥利弗解释使用方法和法尔23]。

2.3。电化学测量

在室温下的电化学特征进行的单舱电化电池满1 wt。%氯化钠电解质。石墨棒和一个标准的甘汞电极(SCE)做对电极(CE)和参比电极(RE),分别而a-SiC_x:H涂布SS301作为工作电极(我们),electrolyte-exposed面积0.79厘米²。Autolab PGSTAT302稳压器是用来控制我们的潜力以及监控潜在的电流原位。样品第一次被浸没在电解液的1 h,直到电极稳定在开路电位((OCP)。这是紧随其后的是电化学阻抗谱(EIS)进行测量与频率(OCP介于10⁵赫兹和10⁻²赫兹。之后,potentiodynamic极化实验是由anodically偏振的工作电极的潜力−0.2 V 2对(OCP扫描速率5 mV / s。可能逆转时1×10的电流密度⁻³一个/厘米²是达到了。

3所示。结果与讨论

3.1。a-SiC的微观结构和力学特性_x:H涂料

元素成分的演变来衡量WDS气体流速的函数在沉积总结表1。正如预期的那样,C / Si比率不断增加从0.59到1.02的甲烷从30到90年sccm增加,而硅烷的流在5 sccm保持常数。评估使用弹性反冲探测飞行时间的政权(TOF-ERD) ~ 25。在这些a-SiC %氢的存在_x与文献值:H电影,在协议(24]。

XRD谱如图1证实了a-SiC的无定形结构_x:H涂料。光谱的峰值来自由的奥氏体SS301衬底γ和α阶段和相应的晶体的飞机已经被确认为显示。

数据2(一个)和2 (b)显示的扫描电镜图像as-deposited a-SiC_x:H截面和表面的涂料,分别。的a-SiC_1.02:H涂层表现出密集的和同质毫无特色的微观结构,没有气孔和缺陷检测如图2(一个)。涂层具有良好的附着力SS301衬底;没有分层和裂纹在界面。所有的a-SiC_x:H涂层显示出类似的横断面的外表。a-SiC的表面形态_x:H涂料和AFM扫描电子显微镜(SEM)。如图2 (b),a-SiC_0.59:H涂层表面有小颗粒,而a-SiC_0.75:H和a-SiC_0.89:H涂料相对光滑。与其他涂料、a-SiC_1.02:H涂层有奇特的形态,显示表面的浅谷。三维AFM图像如图3证实了这一观察,和相应的rms(均方根:高度的标准差)表面粗糙度的函数C / Si比率是列在表中1。的a-SiC_0.59:H, a-SiC_0.75:H, a-SiC_0.89:H涂料有类似的粗糙度,~ 4海里的价值,而对于a-SiC_1.02:H涂层,表面粗糙度增加到~ 6海里。

力学性能的演变,包括硬度,杨氏模量降低,作为一个函数的C / Si比例是显示在图4。a-SiC相比SS301衬底_x:H涂料大大增强从5 GPa ~ 20 GPa和减少了从200 ~ 150 GPa的GPa。此外,随着C / Si比率从0.59增加到1.02,和逐步从18岁上升到23.5绩点和从138年到157年平均绩点,分别是相关的增加同单晶硅化学键分数。的Leyland和马修斯提出的比率,25),是一个普遍接受的指标描述材料的耐磨性。的a-SiC_x:H涂层磨损行为的显著提升SS301 [18]。如表所示1的增加与C / Si值从0.13到0.15比率会引起a-SiC摩擦学性能的进一步提高_x:H涂料。

3.2。a-SiC的电化学行为_x:H涂料

为了调查a-SiC的电化学行为_xH:涂料、potentiodynamic a-SiC极化测试进行_x:H涂料以及裸SS301基质作为参考;极化曲线和相应的结果显示在数字5和6,分别。抗点蚀性反映的击穿电压,,Cl的渗透⁻离子通过的microdefects保护层产生电流急剧增加所示的极化曲线(4]。

所有的a-SiC_x:H涂料大大改善SS301基体的耐蚀性;腐蚀电流,,降低了两个数量级以上,和同时长大。此外,随着C浓度的增加,a-SiC的耐蚀性_x:H涂料是显著增强,在减少的增加在协同作用。特别是,a-SiC_1.02:H涂料拥有最低的(3.5×10⁻¹²一个/厘米²)和最高的(1.36 V)。它表现出一个广泛的钝化区和留存在低电流密度值(低于10⁻¹⁰一个/厘米²),直到高是达到了。这种现象表明,该涂层作为一个优秀的屏障对电化学反应。

为了获得更多的洞察a-SiC的腐蚀行为_x:H与不同涂料C浓度、EIS测试结果进行了分析和比较。尼奎斯特图采用的EIS数据和光谱拟合进行使用适当的等效电路。基本电路、反电路,用于解释EIS裸SS301衬底的光谱。如图7(一)它由溶液电阻,串联与并联组合的固定相的元素(CPE)对应于双电层电容器,和电荷转移电阻,。的在电极之间的界面形式及其周围的电解质,离子从溶液,被吸引到电极表面,导致界面电荷积聚。它的阻抗是表达以下形式: 在哪里是角频率,是一个常数,是一个经验指数(26),代表纯电容的阻抗行为的偏差造成的涂层系统的非均匀性(27]。

的a-SiC_x:H涂料表现出一个更复杂的电化学行为;因此,等效电路如图7 (b)是用来解释他们的阻抗谱。它包含以下组件:——解决方案阻力;cpe对应完整的涂层电容;毛孔内溶液电阻;——电荷转移电阻;和cpe的双层电容在坑之间的接口解决方案和示例。

尼奎斯特图(图中显示7 (c)),最佳曲线(实线)代表实验数据(虚线)很好。来自光谱建模结果列在表中2特别是,相对地与腐蚀速率成比例,比较图8。相对于裸SS301 (所有a-SiC = 1.37 MΩ)_x:H涂料大大提高了耐蚀性。此外,明显从299 MΩ升至10.5 GΩ,随着C / Si比率从0.59增加到1.02。这个观察是在良好的协议与以前的potentiodynamic极化测试;高的涂层表现出较低的。

这样一个a-SiC的电化学性能的重要改进_x:H涂料可以归因于si C的增加,碳碳键和嘶嘶的减少债券在协同更多C包含涂料。的制备a-SiC_x:H主要包括晶硅:H和a-SiC: H阶段(28]。C浓度的增加,晶硅:H相逐渐减少(29日]。碳化硅的主要腐蚀反应包括解散Si (30.),因此如果浓度的减少和增加的惰性a-SiC: H产生增强的防腐性能。的a-SiC_1.02:H涂料,1:1 C / Si化学计量比,表现出优越的腐蚀性能作为一个优秀的屏障和电荷转移。

4所示。结论

a-SiC的腐蚀性能_x:H涂料使用电化学技术研究了不同C浓度,和结论如下。(1)的a-SiC_x:H涂料具有均匀致密微观结构。增加的CH₄气流从30到90年sccm沉积期间,C / Si比例逐步增加从0.59到1.02。(2)的a-SiC_x:H涂料表现出优越的机械和电化学性能与SS301相比。C浓度的增加导致的同时进一步加强a-SiC机械和电化学性能_x:H涂料。(3)的a-SiC_1.02:H涂料,1:1 C / Si化学计量比,表现出优越的腐蚀性能作为一个优秀的屏障和电荷转移,显示3.5×10的腐蚀电流⁻¹²一个/厘米²和击穿电压为1.36 V, 2.5×10⁻⁸一个/厘米²和0.34 V SS301衬底。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢金融支持NSERC和CRIAQ CRDPJ328038-05项目。

引用

1. 美国羊肉,应用国际出版公司/ ASM魁北克,加拿大,2001。
2. Y.-J。金”,分析形成的氧化膜在288°C类型304不锈钢水含有氧,氢和过氧化氢,”腐蚀,55卷,不。1,第88 - 81页,1999。视图:谷歌学术搜索
3. n .佐藤“被动的金属,概述”腐蚀科学卷,31 - 1990页。视图:谷歌学术搜索
4. 美国Ningshen, Kamachi Mudali, v . k .米塔尔和h s Khatak”半导体和氮含量的钝化膜性质类型316 ln不锈钢,”腐蚀科学卷,49号2、481 - 496年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. 斯坦和r·布坎南电化学腐蚀原理2000年,ASM国际。
6. 佐藤n”理论对金属阳极氧化分解的电影,”Electrochimica学报,16卷,不。10日,1683 - 1692年,1971页。视图:谷歌学术搜索
7. d·a·琼斯,原则和防止腐蚀,麦克米兰,1991。
8. c . r . Stoldt m·c·弗里茨·c . Carraro和r . Maboudian“金刚砂薄膜沉积的微机械性能使用单一化学汽相淀积,”应用物理快报,卷79,不。3、347 - 349年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. m . Azzi m . Paquette j . e . Klemberg-Sapieha l . Martinu《52th SVC年会美国加州圣克拉拉,2009年5月。
10. W.-J。金、h·s·黄和j.y.公园,“reaction-bonded碳化硅陶瓷在高温水中的腐蚀行为,”材料科学杂志》上的字母,21卷,不。9日,第735 - 733页,2002年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. 诉压,o . Krummhauer k . g .镍、甘蓝类蔬菜,贝特c, c . Raisch,“摩擦和热液行为的碳化硅在水润滑下,“穿,卷266,不。7 - 8,771 - 781年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. 美国Somiya”,水热碳化腐蚀氮化硅和硅,”材料化学与物理,卷67,不。1 - 3、157 - 164年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. a·安德鲁斯·m·赫曼·m·Sephton c . Machio和a·米歇利斯“电化学腐蚀的固体和液体阶段烧结碳化硅在酸性和碱性环境中,“欧洲陶瓷学会杂志》上,27卷,不。5,2127 - 2135年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. e·巴林杰z Faiztompkins, h . Feinroth et al .,“腐蚀500°C的CVP碳化硅超临界水,”美国陶瓷协会杂志》上,卷90,不。1,第318 - 315页,2007。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. c·j·詹森和w . k . s .赵“露天碳化硅涂层的激光化学汽相淀积,”表面涂层技术,卷201,不。6,2822 - 2828年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. l . Zambov k .怀德诉Shamamian et al .,“先进化学汽相淀积碳化硅超低渗透屏障技术应用”真空科学与技术杂志》上,24卷,不。5,1706 - 1713年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
17. Homma h . t . Goto, t·平井伯昌“氧气分压对CVD SiC高温氧化,”腐蚀科学,44卷,不。2、359 - 370年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
18. d . Li s Guruvenket m . Azzi j . a . Szpunar j . e . Klemberg-Sapieha和l . Martinu”腐蚀和tribo-corrosion a-SiC的行为_x:H,罪恶_x:H和a-SiC_xN_y:H涂料SS301衬底。”表面涂层技术,卷204,不。9 - 10,1616 - 1622年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. f·廖,s . l . Girshick w . m . Mook w·w·Gerberich和m . r .撒迦利亚,“超硬纳米晶体碳化硅电影,”应用物理快报,卷86,不。17篇文章ID 171913 1 - 3, 2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. l . l . s . Wu Cheng, y, x的菜肴,h·梅,“腐蚀的SiC /碳化硅复合Na₂所以₄蒸汽环境中从1000年到1500°C,”复合材料的,37卷,不。9日,第1401 - 1396页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. j . f .赵·莱莫恩z h . Liu j·p·奎因·马奎尔和j·A·麦克劳林”的研究组织和硅的纳米机械属性合并DLC薄膜沉积在硅基板上,“钻石和相关材料,10卷,不。3 - 7,1070 - 1075年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. e . Angelini s Grassini f . Rosalbino f . Fracassi和r D \ ' agostino博士“电化学阻抗谱评价镁合金的腐蚀行为涂PECVD有机硅薄膜,"”有机涂料的进展,46卷,不。2、107 - 111年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. w·c·奥利弗和通用法尔”,改进技术,确定使用载荷和位移传感压痕硬度和弹性模量实验中,“材料研究学报,7卷,不。6,1564 - 1580年,1992页。视图:谷歌学术搜索
24. d .臂章和m . a . El Khakani”非晶碳化氢化硅薄膜的介电性能增加了plasma-enhanced化学汽相淀积,”应用物理杂志,卷93,不。7,4066 - 4071年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. a . Leyland和a·马修斯,”H / E比值的意义上穿控制:纳米复合材料涂层的方法来优化摩擦学的行为,”穿,卷246,不。1 - 2、1 - 11,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. z Bou-Saleh、a . Shahryari和s . Omanovic”增强生物医学316级lvm的耐腐蚀不锈钢potentiodynamic循环极化,”薄固体电影,卷515,不。11日,第4737 - 4727页,2007年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. H.-G。金,工程学系。安,J.-G。金,s . j .公园,K.-R。李”,类金刚石碳膜的生物医学应用领域的电化学行为,”薄固体电影,卷475,不。1 - 2、291 - 297年,2005页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. b·拉辛a·c·法拉利:a . Morrison i米尔恩,即哈钦斯和j·罗伯逊,”属性的非晶碳化硅合金沉积等离子体密度高,“应用物理杂志,卷90,不。10日,5002 - 5012年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
29. s . Guruvenket m . Azzi d . Li j . a . Szpunar l . Martinu和j·e . Klemberg-Sapieha”结构、机械、摩擦磨损和腐蚀的性质a-SiC: H涂料由PECVD, "”表面涂层技术,卷204,不。21 - 22日举行,3358 - 3365年,2010页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
30. r . Divakar, s·g·瑟哈德里和m . Srinivasan“电化学腐蚀速率测定技术在陶瓷、”美国陶瓷协会杂志》上,卷72,不。5,780 - 784年,1989页。视图:谷歌学术搜索

版权

版权©2014 d·李等。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。