二维原子氮化硼涂层的成核位点控制及其电化学防腐机理研究

With the deep study of two-dimensional atomic crystal materials and the development of their preparation methodology, many traditional industries elusive technology issues will achieve innovative solutions. The two-dimensional atomic boron nitride coating which is prepared by chemical vapor deposition method has a unique molecular structure and excellent physical properties, perfectly coupling with metal substrate. These advantages will be widely applied in the field of metal corrosion and protection. In this project, we will control the nucleation sites by using "inkjet printing" technology. Two dimensional atomic h-BN film can be controllable grown on metal substrate by optimizing process parameters of plasma enhanced CVD. We will i) focus on the relationship between the grain boundary distribution of h-BN film and its growth parameters by PECVD process, ii) reveal the ionic aqueous system physical processes at the grain boundaries and the electrochemical reactions, iii) summarize the thermodynamic factors of long-term protecting metal materials by two-dimensional h-BN film, iv) illuminate the anticorrosion failure dynamics of two-dimensional atomic coating, v) combining the excellent physical and chemical properties of two-dimensional atomic crystal materials, develop some new methods and technologies for long-term protecting metals.

随着二维原子晶体材料的深入研究及其制备方法学的发展，很多传统工业难以实现的工艺技术问题将获得创新性的解决思路。化学气相沉积法（CVD）制备的二维原子氮化硼涂层具有独特的分子结构、优异的物理性能，并且能与金属衬底形成完美的耦合包覆，将在金属腐蚀与防护领域中获得广泛的应用。本项目拟借助"喷墨打印"技术控制成核点位置，通过优化等离子体增强CVD过程工艺参数，实现二维原子h-BN涂层材料在金属衬底上可控生长。着重研究生长成连续的薄膜材料晶界分布与等离子体增强CVD参数的控制关系，揭示溶液体系中离子在h-BN晶界处发生的物理过程和电化学反应，总结二维h-BN保护金属材料的热力学影响因素，阐明二维原子涂层防腐失效过程动力学，结合新型二维原子晶体材料的优异物理和化学特性，发展长期稳定的金属防腐新方法和新技术。

自然环境和工业介质对金属材料的腐蚀已成为影响国民经济和社会可持续发展的重要因素之一。二维纳米材料的低渗透性、热稳定性和化学惰性是被应用在金属腐蚀与防护领域的核心优势。与石墨烯具有相似结构的六方氮化硼（h-BN）具有更好的绝缘性、耐高温、抗氧化、耐化学腐蚀等优势，可通过化学气相沉积法（CVD）原位包覆于金属表面，并与金属衬底形成完美耦合。探索新型二维纳米h-BN材料可控的成核与生长在多种金属材料表面的热力学和动力学，不仅为分子水平上理解金属腐蚀过程提供新的途径，而且有利于促进我国在二维原子晶体材料的制备及其在金属防腐领域应用方面发展到新的阶段。本项目借助“喷墨打印”技术控制成核点位置，通过更优化的等离子体增强CVD过程，实现了二维原子h-BN涂层材料在金属衬底上的可控生长。同时，借助空气氧化、盐雾条件等过程，对二维原子涂层的晶界进行识别，并通过外加转移的方法，实现了二维材料的晶界错位，研究了二维原子涂层的抗腐蚀失效机制。此外，将金属衬底拓展至工业界最常用的碳钢，克服了碳钢渗碳能力强、晶格错位、铁-碳强键合作用等难题，首次在碳钢表面实现了二维材料的生长。生长二维石墨烯材料之后，碳钢表面的腐蚀速率可降低50%以上，同时，在3小时的测试时间内，防冰能力可调高99%，且表面磁场可被复合结构所屏蔽。通过在二维材料与基底之间加入金属层，可进一步增强复合表面的防腐蚀能力（腐蚀速率下降超过90%）。通过本项目的实施，实现了二维材料h-BN及石墨烯在多种金属衬底表面的高质量可控生长，同时，解释了生长成连续薄膜材料晶界分布与CVD参数的控制关系，阐明了溶液体系中离子在晶界处发生的物理过程即电化学反应，总结了二维原子涂层保护金属材料的热力学影响因素，揭示了二维原子涂层防腐失效的过程动力学。通过项目实施，发表论文5篇，申请专利5项，获授权中国发明专利1项，获省部级奖励2项，全面完成项目目标。研究结果为发展长期稳定的金属防护提供了新方法和新技术。