차량 및 항공기에 사용되는 재료는 극한의 작동 조건에서 구조적 무결성을 보장하기 위해 부식으로부터 장기간 보호하는 것이 필수적입니다. 두 가지 화학적 전처리 공정은 코팅 접착을 준비하고 부식으로부터 알루미늄 합금 표면을 보호하기 위해 산업 환경에서 널리 사용됩니다. 엄격하게 규제되지만 두 공정 모두 환경 및 건강 위험이 알려진 다량의 유해 화합물을 사용합니다.

에너지부의 Oak Ridge 국립 연구소의 과학자들로 구성된 다학제 팀은 이러한 위험한 화학 물질의 필요성을 제거하기 위해 상당한 진전을 이루는 레이저 간섭 구조화(LIS) 기술을 적용했습니다. LIS 방법의 새로운 적용은 군용 차량 및 항공기 시스템의 부식 방지를 위한 비화학적 대안을 모색하는 연구 프로젝트에 대한 미 국방부의 요청에 응답합니다.

크로메이트 전환 코팅(CCC)은 알려진 발암 물질인 XNUMX가 크롬을 사용하여 부식을 억제합니다. 황산 아노다이징(SAA)은 황산을 사용하므로 피부와 눈을 심하게 자극할 수 있으며 흡입하면 영구적인 폐 손상을 유발할 수 있습니다. 수백만 갤런의 사용된 화학 용액이 매년 유해 폐기물로 처리됩니다.

Adrian Sabau는 레이저 간섭 구조화 기술로 전처리된 프라이머 코팅된 시편을 들고 코팅 접착력을 보여줍니다. 출처: Carlos Jones/ORNL, 미국 에너지부 특집 기사 – Adrian Sabau, CCSD, 그리고 레이저 간섭 구조화 기술에 대한 그의 연구, 13년 2021월 XNUMX일. 초기에 레이저 간섭 구조화된 프라이머 코팅된 시편이 있는 Sabau. 시편은 우수한 X-cut 코팅 접착력을 나타냅니다.

Adrian Sabau는 레이저 간섭 구조화 시스템 테스트에서 설정을 기록합니다. 출처: Carlos Jones/ORNL, 미국 에너지부

금속주조, 응고 등 재료가공을 전문으로 하는 Sabau와 그의 팀은 최근에 자동차 애플리케이션의 접합을 위한 LIS. 비용매 표면 처리에 대한 연구에 대한 DoD의 요청을 읽었을 때 Sabau는 유사한 기술이 코팅 접착에도 효과적일 수 있음을 인식했습니다.

그들의 실험에서 그들은 펄스 나노초 레이저의 기본 빔을 두 개의 빔으로 분할하고 시편 표면의 동일한 지점에 초점을 맞춰 알루미늄 합금 시트를 처리했습니다. 이 프로세스는 주기적인 구조로 표면을 거칠게 만들고 표면 화학 및 표면 아래 미세 구조를 변경했습니다.

“레이저 가공에서는 상단 표면에 많은 에너지가 영향을 미치므로 기판에 어떤 일이 일어나는지 이해해야 합니다. 손상되었나요? 깨지나요? 부식 방지에 도움이 되지 않는 미세 구조 효과가 있습니까?” 사바우가 말했다.

프라이머 코팅된 시편은 레이저 시스템의 자국을 보여줍니다. 출처: Carlos Jones/ORNL, 미국 에너지부

물리화학자인 Meyer와 현미경 학자인 Leonard는 특성화 작업에 기여했습니다. 에 설명된 광학 및 레이저 기술. Meyer는 X선 광전자 분광법 또는 XPS를 사용하여 표면 화학 분석을 수행했습니다.

"XPS는 고체 물질의 표면(상단 5~8나노미터)에 어떤 요소가 있는지 결정할 수 있는 물질 특성화 기술입니다."라고 Meyer가 말했습니다. “레이저 가공 전에 XPS는 탄소 함량이 높은 알루미늄 합금 판재의 화학적 조성을 결정하는 데 사용되었습니다. XPS는 레이저 가공이 표면을 청소했는지 확인하기 위해 다시 사용되었습니다. 결과는 탄소의 상당한 감소를 보여주었으며 우리의 주요 발견 중 하나였습니다. XPS는 전자 현미경 결과와 함께 레이저 가공을 통해 천연 산화물이 어떻게 변경되었는지 이해하는 데 도움이 되었습니다.”

Sabau는 다음과 같이 덧붙였습니다. “지하 특성화를 살펴보면서 우연히 마주친 유익한 측면을 발견했습니다. 최상층에서 우리는 부식이 시작될 수 있는 구리가 풍부한 침전물의 용해를 보았습니다."

알루미늄 합금 시트를 세척한 후 종종 표면 에너지로 인해 코팅이 제대로 접착되지 않는 경우가 많으며, 이는 산업 표면 코팅에서 알려진 문제입니다. 팀의 다음 출판물,에 대한 접착 및 접착제의 국제 저널, 코팅 접착력을 조사한 결과 LIS 방법이 접착력은 물론 산업 표준 및 용매 집약적인 CCC 및 SAA 기술을 제공한다는 것을 발견했습니다. 이 LIS 기술을 기반으로 2021년 코팅 접착에 대한 특허를 획득했습니다.

접착 연구를 위해 McClurg는 표면 윤곽을 매핑하고 거칠기 측정을 제공하는 기술인 재료에 대한 프로파일로메트리를 수행했습니다.

에 게재된 세 번째 논문 부식: 과학 및 공학 저널, Sabau의 팀이 미군이 비행기 날개와 몸체에 사용하는 에폭시 프라이머로 수행한 최종 테스트를 간략하게 설명했습니다.

기술자 Mike Stephens는 다양한 처리로 준비된 합금 시트에 대한 정확한 DoD 사양에 따라 프라이머와 탑코트의 스프레이 코팅을 적용하는 섬세하고 시간에 민감한 작업을 완료했습니다. 그런 다음 그는 샘플을 2,000시간 동안 염수 분무에 노출시켜 여러 기간에 걸쳐 내식성을 조사했습니다. Jun은 부식 테스트를 이끌고 프라이머와 탑코트가 있거나 없는 기존의 합금 기질과 비교하여 LIS로 준비된 표면을 조사했습니다.

"레이저 간섭 처리된 기판은 더 높은 내식성을 나타냈다"고 Jun은 결과를 구리가 풍부한 침전물 용해로 돌렸습니다. 그러나 프라이머 또는 프라이머 및 탑코트로 코팅된 샘플에서 LIS는 화학 용매 기술만큼 잘 수행되지 않았으며 일부 샘플에서는 염수 분무 노출 후 96시간 이내에 물집이 나타났습니다. 그러나 그 물집은 작았고 수백 시간의 노출을 통해 안정적으로 유지되었습니다.

팀은 프라이머를 도포하기 전에 아세톤으로 간단히 닦아낸 두 번째 샘플 세트를 테스트하여 부식이 거의 발생하지 않았고 수포 형성이 수백 시간 지연되었습니다.

Jun은 LIS를 최적화하기 위한 추가 조사가 가치가 있을 것이라고 말했습니다.

"실험실 규모의 전기화학적 측정과 산업적으로 채택된 ASTM[미국 재료 시험 협회] 염수 분무 테스트를 결합한 우리의 연구 접근 방식은 매우 성공적이었고 레이저 간섭 처리의 효과에 대한 심층적인 이해를 도왔습니다."라고 그는 말했습니다.

"용매 없이 주변 온도에서 수행된 프로세스의 경우 대부분의 샘플이 매우 잘 수행되었습니다."라고 Sabau가 말했습니다. "이 기술은 코팅을 위한 비화학 집약적 표면 준비를 향한 올바른 방향으로 가는 큰 단계입니다."

ORNL은 미국 물리학 기초 연구의 단일 최대 후원자인 에너지부 과학실의 UT-Battelle에서 관리합니다. DOE의 Office of Science는 우리 시대의 가장 시급한 과제를 해결하기 위해 노력하고 있습니다. 자세한 내용은 다음을 방문하십시오. 에너지.gov/science.

기사 제공 ORNL.

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출처: https://cleantechnica.com/2021/09/26/laser-treatment-shows-potential-for-reducing-industrial-chemical-processing-for-vehicles/