Modification of metal surface with organic compounds under the action of a nanosecond electron beam.pdf Введение Для защиты металлов от коррозии широкое применение находят полимерные покрытия. Они не только защищают металл от коррозионных и прочих химических воздействий, но и придают изделию отличные электроизоляционные, декоративные, антисептические и другие свойства. По сравнению с лакокрасочным и/или эмалевым полимерные покрытия имеют ряд преимуществ. Они более прочные, эластичные, обладают лучшими адгезионными характеристиками с металлом; в процессе эксплуатации стираются и растрескиваются значительно меньше, чем эмали и лаки. Формируется такое покрытие нанесением на металл особого жидкого или порошкообразного состава, который затем полимеризуется. Используются также методы нанесения полимерного покрытия на поверхность металлических изделий путем погружения их в кислый водный состав, содержащий диспергированные в воде частицы органического пленкообразующего полимера, диспергирующие и подкисляющие агенты, а также окислитель [1]. Во многих странах разрабатываются и внедряются в промышленное производство пучковые технологии модификации поверхности материалов. Этими технологиями достигаются повышение износостойкости, коррозионной стойкости, динамической прочности изделий, полировка поверхности, уменьшение коэффициента трения, удаление отработанных покрытий. Интерес к таким технологиям обусловлен тем, что их применение в промышленности вместо традиционных методов (термообработка в печах, закалка в кислотных и солевых растворах, гальваническое нанесение покрытий) экономит электроэнергию, повышает эффективность производства, уменьшает или исключает экологически вредные последствия. В качестве перспективных модификаторов поверхности металлов рассматриваются органические производные кремния [2-4]. Аппаратура и экспериментальная методика В качестве модификаторов поверхности металлов мы использовали силиконовые жидкости - тетраэтоксисилан (ТЭС), гексаметилдисилоксан (ГМДС) и метакриловую кислоту, имеющую активную карбоксильную группу и двойную связью. Для исследования были выбраны алюмобериллиевая фольга технического проката и образцы полированной меди и латуни. Источником электронного пучка служил импульсный сильноточный электронный ускоритель «Нора» [5]. Параметры ускорителя: кинетическая энергия электронов 90 кэВ, плотность тока пучка электронов 65А/см2, энергия в пучке 0.2 Дж за импульс, длительность импульса выведенного тока 60 нс (на полувысоте), частота следования импульсов 4 имп./с. Электронный пучок выводился в зону обработки через Al-Be-фольгу выводного окна ускорителя. Толщина фольги составляла 45 мкм. Исследуемые образцы с нанесенными на них органическими компонентами облучали в кювете из нержавеющей стали с внутренним диаметром 40 мм и глубиной 15 мм. Анализ ИК-спектров поверхности проводили с использованием ИК-спектроскопии на фурье-спектрометре «ФТ-801» с широкодиапазонным инфракрасным микроскопом «МИКРАН-2». Результаты измерений и их интерпретация Анализ ИК-спектров поверхности металлов после облучения их электронным пучком в присутствии метакриловой кислоты показал исчезновение полосы двойной связи (п.п. 1636 см-1), резкое уменьшение полосы поглощения карбоксильной ОН-группы (2987 см-1). Это свидетельствует о полимеризации метакриловой кислоты на поверхности всех исследованных металлов и взаимодействии карбоксильной группы с поверхностью металла (рис. 1 и 2). Рис. 1. ИК-спектр метакриловой кислоты на медной подложке Рис. 2. ИК-спектр метакриловой кислоты на медной подложке после облучения Воздействие электронного пучка на ТЭС на поверхности металлов привело к химической фиксации силанольных групп на этих поверхностях. Об этом свидетельствует сдвиг полос поглощения силанольных групп в ТЭС на поверхности облученных образцов относительно необлученного образца (1083 и 1106 см-1) (таблица). Воздействие электронного пучка на ГМДС на поверхности металлов не показало заметных изменений в ИК-спектрах облученного и исходного образцов. В данном случае, возможно, происходит физическая адсорбция ГМДС на поверхности металлов. Сдвиг полос поглощения ТЭС после его облучения Объект Полосы поглощения, см-1 ТЭС на меди, до облучения 1083 1106 ТЭС на латуни, после облучения 1078 1111 ТЭС на Al-Be, после облучения 1074 1115 ТЭС на меди, после облучения 1080 1178 Микроскопическое исследование поверхности неполированной меди (поверхность обработана только на токарном станке) (рис. 3, а) и полированного образца (рис. 3, б) после обработки их поверхности электронным пучком в присутствии метакриловой кислоты показало растрескивание слоя образующегося полимера в образце, представленном на рис. 3, а. Рис. 3. Микрофотографии образцов меди после воздействия пучка электронов на мета- криловую кислоту на поверхности образца: а - неполированный образец меди; б - полированный образец меди Растрескивание, по-видимому, произошло по следующим причинам: полиметилметакрилат обладает относительно высокой твердостью, а поскольку слой кислоты был достаточно толстый для того, чтобы полимеризация проходила медленно, последовательно от поверхности до подложки (металла), в тонких слоях полимера возникали напряжения, приводящие к возникновению трещин, разрастающихся по мере полимеризации в глубь слоя кислоты. Что, в свою очередь, привело к низкой адгезии полимера к поверхности подложки. Несмотря на силирирование поверхности неполированных металлов реагентами ТЭС и ГМДС под действием электронного пучка, также обнаружены неравномерность покрытия, вспучивание пленки и отслоение микроучастков покрытия. Микроскопическое исследование поверхности полированного образца меди после обработки их поверхности электронным пучком в присутствии метакриловой кислотой показало равномерное покрытие поверхности металла органической пленкой (рис. 3, б). Полимерные покрытия без дефектов получали также при воздействии пучка электронов на ТЭС и ГМДС с использованием полированных образцов металлов. Заключение На основании полученных результатов можно сделать вывод, что нанесение органических покрытий на поверхность металлов под действием пучка электронов требует тщательной подготовки поверхности металла. Выступы и неровности на поверхности металлов создают очаги напряжения под действием электронного пучка, что приводит к разрушению в этих местах образующихся органических покрытий. Более успешно такие покрытия формируются на поверхности полированного металла.

Скачать электронную версию публикации