hBN含量对海洋应用中Ni-Ag基复合涂层耐腐蚀行为的影响：一种设计策略

《Surfaces and Interfaces》：Effect of hBN Content on Corrosion Behaviour of Ni-Ag-based Composite Coatings for Marine Applications: A Design Strategy

铜基部件在盐雾环境中易腐蚀，本研究通过电沉积法在Cu基体上制备了不同hBN含量的Ni-Ag-hBN复合涂层，发现5g/L hBN时涂层致密且腐蚀电流密度最低（0.36±0.08 μA·cm?2），保护效率达96.5%。XRD显示纹理从(011)转向(001)，形成稳定Ag?O和NiO passive layer。

　　铜（Cu）作为重要的非铁金属，因其优异的热、电和机械性能，广泛应用于航空航天、原子能、电力传输、管道、水处理（包括海水系统）、热导体、热交换器和船舶制造等多个领域。然而，铜基材料在恶劣的盐性环境中容易发生腐蚀，这会显著缩短其使用寿命。为了应对这一问题，研究者采用电沉积技术，在铜基体上制备了hBN（六方氮化硼）增强的Ni-Ag复合镀层。通过调整hBN纳米颗粒的含量（0–20 g/L），研究人员成功获得了不同组成的复合镀层，并对其表面形貌、润湿性、粗糙度以及电化学腐蚀行为进行了系统研究。

研究发现，hBN的添加对Ni-Ag镀层的微观结构产生了显著影响。在hBN含量达到5 g/L时，镀层表面呈现出致密且均匀的结构，而当hBN含量超过这一临界值时，镀层的表面变得粗糙并出现缺陷。这一现象表明，hBN的添加在一定程度上能够改善镀层的物理特性，但过量添加反而会破坏镀层的完整性。X射线源测量显示，随着hBN的加入，镀层的晶向分布发生了变化，从（011）向（010）转变。这种晶向的调整可能对镀层的耐腐蚀性能产生了积极影响，因为特定的晶向排列有助于形成更稳定的保护性氧化层。

电化学测试结果进一步证实了这一观点。在所有实验条件下，含有5 g/L hBN的复合镀层（NA-5BN）表现出最低的腐蚀电流密度，为0.36 ± 0.08 μA·cm?2，其保护效率高达96.50%。相比之下，纯Ni-Ag镀层（NA-0BN）的腐蚀电流密度较高，而铜基体本身的保护效率则更低。NA-5BN镀层的优异性能归因于其表面形成的稳定氧化层，尤其是Ag?O和NiO的被动层。这些氧化物的生成不仅能够阻隔腐蚀性离子的渗透，还能降低金属基体与腐蚀环境之间的反应速率，从而有效提升镀层的耐腐蚀能力。

在已有研究中，Ni基复合镀层因其出色的耐腐蚀和耐磨性能而受到广泛关注。例如，Ni-B、Ni-Co、Ni-W、Ni-Cu和Ni-P等合金镀层已被广泛应用于海洋环境中。然而，Ni-Ag合金镀层因其较高的生物污损、腐蚀和磨损抵抗能力，被认为是一种更有潜力的材料。许多研究已经报道了通过电沉积方法制备Ni-Ag合金镀层的技术，但关于其耐腐蚀性能的研究仍较为有限。因此，研究者在本次工作中特别关注了hBN纳米颗粒对Ni-Ag镀层性能的影响，希望通过引入这一新型增强相，进一步提高镀层的耐腐蚀能力。

hBN作为一种陶瓷增强材料，具有多种优异特性，如非毒性、化学惰性、对腐蚀性离子的不渗透性、润滑性和高热导率。这些特性使其成为提升复合镀层性能的理想选择。例如，Jyotheender等人研究了Ni-CNT（碳纳米管）复合镀层，发现其在特定浓度下具有更高的耐腐蚀性能，这主要归因于低角度晶界和∑3孪晶的增加。Kumar等人则发现，向Ni镀层中添加石墨烯可以细化晶粒，改变晶向分布，并提升镀层的耐腐蚀能力。Cai等人指出，Al颗粒的加入可以抑制NiCo复合镀层中晶向的生长，促进晶粒的随机取向，从而增强镀层的耐腐蚀性。Ranjeet等人研究了TiO?颗粒在镀层中的作用，发现其可以改变镀层的晶向分布，提高镀层的稳定性。

基于上述研究，hBN作为一种新型增强材料，被广泛用于提升Ni基复合镀层的性能。在电沉积过程中，hBN纳米颗粒能够作为物理屏障，减少腐蚀性离子与镀层表面的接触，同时通过改变镀层的微观结构，增强其整体的稳定性。例如，hBN的添加可以有效减少镀层中的裂纹、孔隙和针孔等缺陷，从而提高镀层的致密性和均匀性。此外，hBN的高热导率也有助于镀层在高温环境下的性能表现，使其在恶劣工况下依然保持良好的稳定性。

在本次研究中，研究人员通过在Ni-Ag电沉积电解液中加入不同浓度的hBN纳米颗粒，制备了多种复合镀层，并对其性能进行了详细分析。结果表明，hBN的添加显著改善了镀层的表面形貌，使其在较低浓度下呈现出致密和均匀的结构。然而，当hBN含量过高时，镀层的表面结构变得不均匀，甚至出现裂纹和孔隙，这可能影响其整体的耐腐蚀性能。因此，研究者认为，hBN的添加量应控制在适当范围内，以确保镀层既具备良好的物理性能，又不会因过量添加而产生结构缺陷。

除了表面形貌的变化，hBN的加入还对镀层的润湿性和粗糙度产生了影响。润湿性是材料表面与液体接触时的重要特性，良好的润湿性有助于形成更均匀的保护层。研究发现，随着hBN含量的增加，镀层的润湿性有所改善，这可能与其表面结构的变化有关。同时，镀层的表面粗糙度也受到hBN含量的影响，较低浓度的hBN能够有效降低表面粗糙度，而过高浓度则会导致表面变得不平整。这种表面粗糙度的变化可能影响镀层的防护性能，因为粗糙的表面更容易积聚腐蚀性物质，从而降低镀层的耐腐蚀能力。

此外，镀层的微观结构分析也揭示了hBN对镀层性能的深远影响。X射线衍射（XRD）分析表明，随着hBN的加入，镀层的晶向分布发生了显著变化。这一变化可能与hBN纳米颗粒在镀层中的分布和排列方式有关。在hBN含量为5 g/L时，镀层表现出最佳的晶向分布，这可能与其表面形貌的变化相辅相成，共同提升了镀层的耐腐蚀性能。通过进一步的电化学测试，研究者发现，NA-5BN镀层在盐性环境中表现出最低的腐蚀电流密度，其保护效率远高于纯Ni-Ag镀层和铜基体本身。这表明，hBN的加入在特定浓度下能够显著增强镀层的耐腐蚀能力。

在海洋应用中，材料的耐腐蚀性能至关重要，因为海水含有大量盐分和氧气，容易引发金属的氧化和腐蚀。铜基材料在这些条件下尤为脆弱，因此，开发具有优异耐腐蚀性能的复合镀层具有重要的实际意义。通过引入hBN作为增强相，研究人员成功提高了Ni-Ag镀层的耐腐蚀能力，使其能够在更苛刻的环境中长期稳定工作。这一成果不仅拓展了铜基材料的应用范围，也为未来开发高性能复合镀层提供了新的思路。

在本研究中，研究人员还探讨了hBN对镀层微观结构的调控作用。通过分析不同hBN含量的镀层，他们发现，hBN的加入能够有效改变镀层的晶向分布，使其更加均匀和致密。这种结构的改变有助于形成更稳定的保护性氧化层，从而提高镀层的耐腐蚀性能。同时，hBN的高热导率也有助于镀层在高温环境下的性能表现，使其在多种应用场景中具备更大的适应性。

综上所述，本次研究通过电沉积技术制备了hBN增强的Ni-Ag复合镀层，并对其性能进行了全面评估。研究结果表明，hBN的加入能够显著提升镀层的耐腐蚀能力，尤其是在5 g/L的添加量下，镀层表现出最佳的综合性能。这一发现不仅为铜基材料的表面改性提供了新的方法，也为未来开发高性能、长寿命的复合镀层奠定了基础。通过进一步优化hBN的添加量和电沉积工艺，有望获得更加稳定和高效的复合镀层，从而满足海洋工程和相关工业领域对材料性能的更高要求。