钛/硅杂化膜的防腐性能及小分子在膜中扩散致腐行为

论文摘要

本文研究的杂化材料是由结构表达式为XR7（SiO1.5）8的杂化结构单元—多面体低聚倍半硅氧烷（Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane,POSS）构成的薄膜材料。与传统的纳米复合材料相比,该类杂化材料具有合成工艺简单、颗粒无团聚现象、颗粒与本体结合力强等特点,可以制备具有不同宏观性质的功能材料（如本论文涉及的防腐材料）,其在各领域的潜在应用前景则不言而喻。因而,有机-无机杂化纳米结构材料被国外誉为新一代主导材料。近年来随着计算机技术的迅速发展,分子模拟技术在化学化工领域内的应用越来越广泛。分子模拟是20世纪80年代初兴起的一种计算机辅助实验技术,是通过计算机来模拟分子的结构与行为。本论文以正硅酸乙酯、钛酸四丁酯为改性剂,乙烯基三甲氧基硅烷（VMS,520）、环氧丙基醚丙基三甲基硅烷（GPMS,560）和γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷（MPMS,570）三种含不同取代基的硅烷偶联剂为硅前驱体,采用溶胶-凝胶法,通过调整反应温度、水用量、催化剂浓度和溶剂用量做正交试验,讨论了各个因素对产物的影响并最终确定最佳的合成条件。在此最佳条件下拟定不同硅钛比合成相应中间体,制备相应膜材料。通过在LY12铝合金表面涂膜,利用电化学测试及扫描电镜等方法,研究了杂化膜的抗腐蚀性能。本论文通过分子动力学（MD）模拟,研究了NO2、SO2和H2O分子在cell（VMS-SSO杂化膜）、cell（VMS-TEOS-SSO杂化膜）和cell（MPMS-SSO杂化膜）、cell（MPMS-TEOS-SSO杂化膜）四种杂化模型体系中的自扩散系数。NO2、SO2和H2O分子在VMS-TEOS-SSO杂化膜（MPMS-SSO杂化膜）中的自扩散系数均小于其在VMS-SSO杂化膜（MPMS-SSO杂化膜）中的自扩散系数。MD模拟的结果验证了相应的防腐蚀实验的正确性,可以用于指导有机-无机杂化膜在防腐膜材料中的筛选。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 金属的腐蚀与防护方法概述
• 1.2.1 铝合金表面的腐蚀与防护
• 1.2.2 铝合金腐蚀防护的新方法
• 1.3 有机-无机纳米杂化材料
• 1.3.1 倍半硅氧烷有机-无机杂化材料
• 1.3.2 倍半硅氧烷的类型及其杂化材料
• 1.4 国内外在该领域的研究现状
• 1.5 分子模拟概述
• 1.5.1 分子模拟的主要方法
• 1.5.2 分子模拟在POSS上的应用
• 1.6 课题来源
• 1.7 课题主要研究内容
• 第2章 POSS中间体及其膜材料的制备
• 2.1 实验用主要原材料
• 2.2 溶胶-凝胶法基本原理
• 2.3 三类POSS中间体的制备
• 2.3.1 POSS中间体合成工艺参数的选择
• 2.3.2 三类POSS中间体的制备过程
• 2.4 以钛酸四丁酯为Ti源制备Si-Ti类改性杂化中间体
• 2.4.1 水解缩合工艺参数的确定
• 2.4.2 制备方法
• 2.5 正硅酸乙酯与钛酸四丁酯改性的POSS中间体的制备
• 2.6 不同POSS杂化膜材料的制备
• 2.7 性能测试方法
• 2.7.1 电化学腐蚀测试
• 2.7.2 扫描电镜测试
• 第3章 POSS杂化膜材料防腐性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 金属表面POSS成膜过程及防腐功能
• 3.3 POSS防腐杂化膜的制备与性能
• 3.3.1 铝合金试片的预处理
• 3.3.2 TEOS-POSS防腐膜的浸涂
• 3.3.3 TTB/TEOS-POSS防腐膜的浸涂
• 3.4 电化学测试
• 3.4.1 动电位极化曲线测试
• 3.4.2 交流阻抗测试
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 动电位极化曲线测试分析
• 3.5.2 交流阻抗测试分析
• 3.6 扫描电镜测试
• 3.7 膜结构与抗腐蚀性能的关系
• 3.8 本章小结
• 第4章 气体小分子在膜中扩散致腐行为
• 4.1 前言
• 4.2 分子动力学模拟
• 4.3 扩散系数
• 4.3.1 扩散系数的微观物理意义
• 4.3.2 扩散系数的计算方法
• 4.3.3 能量最小化方法
• 4.4 Materials Studio软件
• 4.4.1 Discover模块
• 4.4.2 Amorphous cell模块
• 2、SO₂分子在f-VST和f-MST杂化膜中的扩散系数'>4.5 NO₂、SO₂分子在f-VST和f-MST杂化膜中的扩散系数
• 4.5.1 各分子结构的模型建立和优化
• 2、NO₂分子扩散模型建立和优化'>4.5.2 SO₂、NO₂分子扩散模型建立和优化
• 2、SO₂分子在杂化膜体系中扩散系数的动力学研究'>4.5.3 NO₂、SO₂分子在杂化膜体系中扩散系数的动力学研究
• 4.5.4 结果与讨论
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢