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激光处理显示出减少车辆工业化学处理的潜力

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持久的防腐蚀保护对于用于车辆和飞机的材料至关重要,以确保在极端操作条件下的结构完整性。 两种化学预处理工艺广泛用于工业环境中,以准备涂层附着力并保护铝合金表面免受腐蚀。 虽然受到严格监管,但这两种工艺都使用大量具有已知环境和健康风险的有害化合物。

能源部橡树岭国家实验室的一个多学科科学家团队应用了一种激光干涉结构或 LIS 技术,该技术在消除对这些危险化学品的需求方面取得了重大进展。 LIS 方法的新应用响应了美国国防部关于探索军用车辆和飞机系统腐蚀保护的非化学替代品的研究项目的号召。

铬酸盐转化涂层(CCC)使用六价铬(一种已知的致癌物质)来抑制腐蚀。 硫酸阳极氧化(SAA)使用硫酸,会严重刺激皮肤和眼睛,吸入后会导致永久性肺损伤。 每年有数百万加仑用过的化学溶液作为危险废物处理。

军方拥有超过 12,000 架飞机、10,000 辆坦克、数百艘船只以及大量其他车辆和武器系统。 国防部拥有并运营着数百个制造和维修这些车辆和设备的工业设施,每年在腐蚀防护方面的支出超过 20 亿美元。 该机构的战略环境研究与发展计划(SERDP)与能源部和环境保护署一起计划和执行,“专注于开发替代技术以消除环境问题的材料和工艺,”该计划的 Robin Nissan 说SERDP 及其姊妹项目环境安全技术认证项目的经理。

“我们的防御系统需要维修和翻新,”他说。 “我们的计划正在投资开发可确保稳健性能、可持续实践和消除环境风险的替代工艺。”

在连续三篇出版物中,ORNL 材料科学家 Adrian Sabau 以及化学家和制造科学家团队描述、演示和分析了 LIS 技术,并将其性能与传统的溶剂密集型方法进行了比较。 该研究的合著者包括 ORNL 的 Jiheon Jun、Mike Stephens、Dana McClurg、Harry Meyer III、Donovan Leonard 和 Jian Chen。

专门从事金属铸造和凝固等材料加工的Sabau和他的团队最近完成了一个项目,使用 LIS 用于汽车应用中的粘合. 当他读到国防部关于非溶剂表面处理研究的呼吁时,Sabau 意识到类似的技术也可以有效地提高涂层的附着力。

在他们的实验中,他们通过将脉冲纳秒激光的主光束分成两束并将它们聚焦在试样表面的同一点上来处理铝合金板。 该过程使具有周期性结构的表面粗糙化,改变了表面化学和亚表面微观结构。

“在激光加工中,您会在顶面上影响大量能量,我们需要了解基板发生了什么情况。 是否损坏? 它会裂开吗? 是否有任何不利于腐蚀防护的微观结构效应?” 萨鲍说。

物理化学家迈耶和显微镜学家伦纳德为表征工作做出了贡献 概述于 光学和激光技术. Meyer 使用 X 射线光电子能谱或 XPS 进行了表面化学分析。

“XPS 是一种材料表征技术,可以确定固体材料表面(顶部 5 到 8 纳米)的元素,”Meyer 说。 “在激光加工之前,XPS 用于确定收到的铝合金板的化学成分,显示出大量的碳。 再次使用 XPS 来确定激光加工是否清洁了表面。 结果表明碳显着减少,这是我们的主要发现之一。 XPS 以及电子显微镜结果帮助我们了解了天然氧化物是如何通过激光加工改变的。”

Sabau 补充说:“在研究地下特征时,我们发现了一个我们偶然遇到的有益方面。 在顶层,我们看到了富铜沉淀物的溶解,腐蚀可能会在此处引发。”

清洁铝合金板后,表面能通常会阻止涂层正确粘附,这是工业表面涂层中的一个已知问题。 球队的 下一次出版,为 国际粘合剂和粘合剂杂志, 研究了涂层附着力,发现 LIS 方法提供附着力以及行业标准和溶剂密集型 CCC 和 SAA 技术。 基于这种 LIS 技术,2021 年获得了涂层附着力专利。

对于附着力研究,McClurg 对材料进行了轮廓测量,这是一种绘制表面轮廓并提供粗糙度测量的技术。

第三篇论文发表于 腐蚀:科学与工程杂志,概述了 Sabau 的团队使用美国军方用于飞机机翼和机身的环氧树脂底漆进行的最终测试。

技术员 Mike Stephens 完成了一项精细且时间敏感的任务,即在采用不同处理方法制备的合金板上按照严格的 DoD 规格喷涂底漆和面漆。 然后,他将样品暴露在 2,000 小时的盐雾中,以检查多个时期的耐腐蚀性。 Jun 领导了腐蚀测试,研究了 LIS 制备的表面与传统制备的合金基材相比如何,无论有无底漆和面漆。

“激光干涉处理的基材表现出更高的耐腐蚀性,”Jun 说,他将结果归因于富含铜的沉淀物溶解。 然而,在涂有底漆或底漆和面漆的样品上,LIS 的性能不如化学溶剂技术,一些样品在盐雾暴露 96 小时内出现水泡。 然而,这些水泡很小,并且在暴露数百小时后保持稳定。

该团队测试了第二组样品,这些样品在使用底漆之前用丙酮简单地擦拭,导致腐蚀非常小,并且水泡的形成延迟了数百小时。

Jun 表示,进一步调查以优化 LIS 是值得的。

“我们的研究方法结合了实验室规模的电化学测量和工业上采用的 ASTM [美国测试材料协会] 盐雾测试,非常成功,有助于深入了解激光干涉处理的效果,”他说。

“对于在环境温度下无溶剂进行的过程,大多数样品的表现都非常好,”Sabau 说。 “这项技术是朝着涂料非化学密集型表面制备的正确方向迈出的一大步。”

ORNL 由 UT-Battelle 为能源部科学办公室管理,该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。 美国能源部科学办公室正在努力解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。 欲了解更多信息,请访问 能源网/科学.

文章礼貌 橡树岭国家实验室.

 

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

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