【摘 要】鋅鍍層的使用壽命取決于鍍層的耐蝕能力，為達(dá)到提高其耐蝕能力目的，文章探討了納米CeO2/Zn金屬基復(fù)合材料在鋅鍍層中的應(yīng)用，并從其應(yīng)用的優(yōu)越性和可行性方面作了分析。
　　【關(guān)鍵詞】鋅鍍層；耐蝕；納米氧化鈰；金屬基復(fù)合材料

鋅鍍層用于防止鋼鐵制品的銹蝕，已有200多年的歷史，至今，它在鋼鐵材料防蝕涂層中仍占有重要的地位。鋅鍍層的使用壽命取決于鍍層的耐蝕能力，鍍層的耐蝕能力越強(qiáng)，則鍍層的使用壽命就越長(zhǎng)。隨著日益發(fā)展的科技與經(jīng)濟(jì)的需要，如何更好的改善鍍層的耐蝕能力對(duì)鍍層材料提出了更高的要求。
一、土元素在鍍鋅防腐蝕應(yīng)用研究中的進(jìn)展
　　隨著對(duì)稀土材料的開發(fā)研究，人們逐漸認(rèn)識(shí)到其優(yōu)越性，并將其應(yīng)用在不同領(lǐng)域。20世紀(jì)80年代，Hinton和Wilson首次研究了稀土對(duì)純鋅的緩蝕作用，發(fā)現(xiàn)1.0g/L的CeCL3可使純鋅的腐蝕速率降低到原來的1/10，使電鍍鋅的腐蝕速率降低到原來的1/2，腐蝕試驗(yàn)完畢后純鋅和電鍍鋅表面形成了一層黃色的膜。之后，Hinton進(jìn)一步研究了純鋅和電鍍鋅表面的稀土轉(zhuǎn)化膜的成分和結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)膜中主要組成物質(zhì)是CeO2和Zn，并且Ce是以四價(jià)形式存在于膜中的。昆明理工大學(xué)的郭忠誠(chéng)副教授在1996年第5期的《金屬學(xué)報(bào)》中發(fā)表過一篇《稀土對(duì)復(fù)合鍍工藝及鍍層性能的影響》，研究了稀土對(duì)Ni-SiC復(fù)合鍍工藝及鍍層性能的影響。結(jié)果表明，添加適量的稀土能顯著地提高復(fù)合鍍層中微粒的含量、硬度和耐磨性。
　　已有研究表明，加入稀土氧化物CeO2所產(chǎn)生作用如下：
　　1．稀土元素細(xì)化微觀組織結(jié)構(gòu)，減小第二相樹狀晶體間距和涂層夾雜物含量；
　　2．稀土元素的加入對(duì)減少涂層金屬材料在基體上的擴(kuò)散是很有效的；
　　3．稀土元素可以增大衍射角，降低晶體面間距和點(diǎn)陣常數(shù)；
　　4．稀土元素的加入提高抗腐蝕性能，鈍化顯著提高，腐蝕速率明顯降低。
　　但是，稀土元素對(duì)于降低鍍層腐蝕速率幅度與人們的期望值相比還略顯不足，故此工藝也未能在生產(chǎn)中獲得廣泛應(yīng)用。
二、納米金屬基復(fù)合材料的優(yōu)越性分析
　　在鍍層中添加納米微粒改善鋅鍍層的耐蝕性，是在納米技術(shù)之上建立起來的新方法。納米微粒具有很多獨(dú)特的物理及化學(xué)性能包括表面效應(yīng)，體積效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，宏觀量子隧道效應(yīng)和一些奇異的光、電、磁等性質(zhì)。納米材料這種非凡的特性賦予了這種方法廣泛的發(fā)展前景，值得進(jìn)一步深入研究。材料的分子尺度或納米尺度設(shè)計(jì)是目前高性能復(fù)合材料研究的前沿科學(xué)。 Roy和Kormameni等于1984年首次提出了納米復(fù)合材料（nanocomposite）的概念，即復(fù)合物的分散相至少有一相的一維尺度在100 納米以下。由于納米復(fù)合材料的基體相和分散相的界面面積特別大，如果能把分散相和基體相性質(zhì)充分的結(jié)合起來，將大大改進(jìn)和提高材料的性能。納米顆粒在基體相中的作用不僅僅是補(bǔ)強(qiáng)，還能賦予基體很多別的性能。如由于其粒子尺寸小，透光性好，將其加入塑料中可以使塑料變得很致密。在半透膜中添加納米材料后，不但透明的程度增加，韌性、強(qiáng)度也有所改善，且防水性大大增強(qiáng)。經(jīng)過測(cè)試，納米復(fù)合材料的性能優(yōu)于同組分的常規(guī)復(fù)合材料。因此，制備納米復(fù)合材料是獲取高性能材料的有效方法之一。納米復(fù)合材料按基體材料類型可以分為3種：金屬基納米復(fù)合材料、陶瓷基納米復(fù)合材料、聚合物基納米復(fù)合材料。金屬基納米復(fù)合材料是由納米級(jí)的金屬或非金屬粒子均勻地彌散在金屬及合金基體中而成，較之傳統(tǒng)的金屬基復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量、耐磨性、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能等均有大幅度的提高。從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道情況來看，目前，世界各國(guó)所發(fā)展的納米復(fù)合材料多局限于聚合物材料中，而采用納米粉體改性整體金屬材料方面所做的工作卻比較少。這是因?yàn)閷?duì)于金屬材料基體而言，尚無特別好的分散方法對(duì)團(tuán)聚狀態(tài)的納米粉體進(jìn)行分散。納米金屬基復(fù)合材料是一個(gè)尚未開發(fā)的處女地，是很有前景的一種新材料，這也是本課題需要解決的難點(diǎn)。
三、納米氧化鈰/鋅金屬基復(fù)合材料的制備和應(yīng)用
　　金屬基納米復(fù)合材料的制備比聚合物基納米復(fù)合材料要復(fù)雜和困難得多，這與金屬的固有物理、化學(xué)特性有關(guān)。目前，制備金屬基納米復(fù)合材料的主要難點(diǎn)在于：
　　1．巨大的表面所產(chǎn)生的表面能使具有納米尺寸的物體之間存在極強(qiáng)的團(tuán)聚作用而使顆粒尺寸變大。如何能將這些納米單元體分散在金屬基體中構(gòu)成復(fù)合材料，使之不團(tuán)聚而保持納米尺寸的單個(gè)體以充分發(fā)揮其納米效應(yīng)是合成金屬基納米復(fù)合材料必須解決的首要問題。然而迄今為止尚無十分有效的分散方法對(duì)團(tuán)聚狀態(tài)的納米粉體在金屬基體中進(jìn)行分散。

2．為保證與納米增強(qiáng)相能進(jìn)行良好的復(fù)合，基體金屬必須具有足夠的流動(dòng)性、成型性。但基體金屬一般均具有較高的熔點(diǎn)，因此，金屬基納米復(fù)合材料在高溫制備時(shí)勢(shì)必會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的界面反應(yīng)、氧化等有害的化學(xué)反應(yīng)如何嚴(yán)格控制界面反應(yīng)是制備高性能金屬基納米復(fù)合材料的又一關(guān)鍵所在。
　　3．金屬基體與納米第二相之間浸潤(rùn)性差，甚至不浸潤(rùn)，必須設(shè)法對(duì)納米微粒進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚硪愿纳婆c（下轉(zhuǎn)第61頁(yè)）(上接第62頁(yè)）基體的浸潤(rùn)性。
本課題擬制備納米氧化鈰/鋅金屬基復(fù)合材料，納米稀土粉末由于其粒度非常細(xì)小、比表面能特別大，通常處于團(tuán)聚狀態(tài)，如果將其直接加入到熱鍍鋅鍍液中，其團(tuán)聚現(xiàn)象將更為嚴(yán)重，而且還會(huì)產(chǎn)生偏聚。為此，擬采用粉末冶金方法先制備出納米CeO2/Zn復(fù)合材料，作為中間體將納米CeO2帶入熱鍍鋅鍍液中。但對(duì)于常規(guī)粉末冶金法而言，混合物的均勻性很大程度上取決于兩種粉末粒度的差別，納米CeO2粉末與純鋅粉末的粒徑相差很大，這就決定了粉末混合物的均勻性較差；而且納米CeO2顆粒又呈團(tuán)聚狀態(tài)，所以很難實(shí)現(xiàn)納米CeO2顆粒在鋅基體中的彌散均勻分布。為解決這個(gè)問題，關(guān)鍵是先制備出均勻的納米CeO2/Zn復(fù)合粉末。高能球磨作為一種材料制備的重要工藝方法，日益受到國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的重視。特別是在納米材料科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，有關(guān)高能球磨法制備納米金屬、納米金屬間化合物材料、納米復(fù)合材料、非晶材料、納米陶瓷等的研究很多，并取得了很大的進(jìn)展。作者采用高能球磨法成功制備出納米CeO2顆粒彌散均勻包覆、鑲嵌在鋅顆粒之上的納米CeO2/Zn復(fù)合粉末，并通過XRD、 SEM詳細(xì)研究了粉體的組成、微觀形貌（具體制備方法和結(jié)論將在另一篇文章中介紹），這意味著如以這種稀土金屬基納米復(fù)合材料作為中間合金代替單純的鋅合金，用在鋼鐵件表面實(shí)施熱浸鍍，可顯著提高鋅鍍層的耐腐蝕性能，另外，高能球磨法制備工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用。
四、結(jié)論
納米CeO2/Zn金屬基復(fù)合材料在鋅鍍層中的應(yīng)用可以使鋅鍍層的防腐能力得到質(zhì)的飛躍，這在納米涂層材料的開發(fā)應(yīng)用方面提出了一種新思路，具體的實(shí)施還有待于進(jìn)一步研究，但在鋅鍍層方面的應(yīng)用毫無疑問有著極為廣泛的應(yīng)用前景。

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