前言：腐蚀问题广泛存在于社会生活的各个方面,给各个行业的发展带来了巨大的损失。因此腐蚀防护技术的研究一直吸引着全世界研究人员的关注。石墨烯材料在防腐蚀保护方面具有广阔的应用前景因为它不易扩散腐蚀性离子水和氧。

一、石墨烯结构特点

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。目前制备石墨烯的方法多种多样,例如化学气相沉积、机械剥离石墨等,虽然石墨烯只有一个碳原子厚度,并且是己知材料中最薄的一种,但是其强度比钻石还要硬。石墨烯电场作用下的光谱研究表明电子/孔的合金化会影响，石墨烯通信导致拉曼位移。由于电荷转移改变了平衡晶格的常数,因此，拉曼光谱是确定石墨烯的合金类型和合金浓度的有效手段。由于碳原子之间的强共价键背景热导率,即晶格的振动热导率在石墨烯中起着至关重要的作用。由于碳原子之间强共价键的存在,使得石墨烯中起决定作用的是声子导热,也就是晶格的振动导热。影响声子导热的主要因素是声子的平均自由程,而声子自由程的大小由2个散射过程决定:声子间碰撞引起的声子--声子散射,以及声子与边界、晶界、杂质和缺陷等作用引起的缺陷散射。对于一个声子导热介质,存在3种声子碰撞过程,即沿波传播方向的振动、横向振动和面外振动，对于单层二维石墨烯来说,由于是单原子层厚度,在面的上下方向不存在声子散射,声子仅仅在面内传播。

二、石墨烯复合涂层制备方法

石墨烯纳米材料表现出优异的抗摩擦和耐磨性能,而纳米和微米级摩擦的研究表明,石墨烯可以达到超摩擦性能。然而由于纳米塑料之间具有很强的包裹力，石墨烯及其衍生物的宏观摩擦性能在工程应用中更有价值,并且近年来也被广泛研究通常以石墨烯涂层的形式。有许多方法可以制备石墨烯涂层,包括气相化学沉淀,循环涂层自组装电泳沉淀和喷涂。气相化学沉积是一种通过化学反应将材料沉积为薄膜的技术。对于石墨烯材料研究人员催化碳氢化合物的加热生产方法中，化学掺杂是利用氧化还原试剂直接与聚合物进行氧化还原反应，改变聚合物的简电状态。在所有的掺杂样品中峰强度呈升高趋势，这是因为掺杂剂的加入使缺陷浓度增加。同时，峰强度随科恩异常效应的减弱呈减小趋势，且强度要高于石墨烯第一布里渊区非等价点附近声子频率的减弱使强度呈减小趋势，与峰强度类似。掺杂石墨烯可以表现出掺杂属性。可以通过系统调节掺杂浓度来调控掺杂程度，而通过拉曼光谱可以判断石墨烯的掺杂水平。掺杂石墨烯晶格常数发生变化，但是晶格的变化是高度不对称的，使石墨烯声子振动频率大幅降低，最终导致晶粒尺寸的减小，电阻率比无掺杂石墨烯要低得多。由于多种功能基团石墨烯衍生物可以与各种有机和无机功能成分组装在一起,形成具有独特结构特性和功能的分层纳米结构和宏观复合材料。

三、石墨烯及复合涂层防腐研究

研究表明金属的腐蚀过程取决于外部腐蚀物质的种类和浓度,在电化学腐蚀中水层中会形成大量的微阳极和微阴极,形成电路促进电子的快速传递并加速材料的腐蚀此外一些腐蚀性离子对金属有较大的危害,例如半径较小的氯离子能够穿透氧化膜的微小孔隙,到达金属表面并与金属相互作用形成可溶性化合物破坏被动氧化膜的结构并加速腐蚀。石墨烯材料由于对腐蚀性离子、水和氧的扩散具有不渗透性，在防腐防护上具有广阔的应用前景。然而，由于纳米片之间强大高比表面积，石墨烯倾向于在聚合物基体中聚集和积累，这将影响复合涂层的致密性。因此,石墨烯涂层最大限度地防止外部腐蚀物与金属基体的接触和反应，对于成功的防腐保护至关重要。石墨烯材料是灵活的,这使得石墨烯涂层能够很好地匹配基础表面的粗糙度和曲率,从而与受保护材料形成良好的接触。石墨烯材料具有优异的屏障性能其致密的网格形成了一个不可穿透的物理屏障,可以阻挡即使是最微小的氢原子。

由于其优异的保护性能，石墨烯材料也经常被研究人员用作纳米添加剂,以提高复合材料的防腐性能。石墨烯涂层对于聚合物涂层其表面有小的微孔和缺陷,在恶劣条件下长时间使用时腐蚀性物质会渗入涂层缺陷，并到达金属表面引起亚膜腐蚀。当将石墨烯基材料作为填料添加到聚合物中时,石墨烯基纳米材料会降低涂层的孔隙度并延长腐蚀介质到涂层的路径,从而减缓腐蚀过程。石墨烯复合涂料的防腐性能在很大程度上取决于石墨烯填料的阻隔性能,而石墨烯基复合涂料只有在均匀稳定分散的情况下才能获得较高的阻隔性能,可以有效地限制腐蚀离子进入腐蚀区，对金属基体起到很好的保护作用。在这方面使用化学共价或非共价改性可以改善石墨烯材料与聚合物的相容性,而改性石墨烯也有助于提高涂层与金属之间的连接强度,从而改善涂层的机械性能。

复合涂层的电化学腐蚀,腐蚀电位越低阳极和阴极之间的电位差越大,反应的热力学倾向就越大。但是,比腐蚀速率取决于腐蚀电流密度的动态因素，这表明涂层具有一定的耐腐蚀性,防护效果最小,其形状在腐蚀后保持完整均匀,但干净的基体和其他涂层具有不同程度的腐蚀和疏松。这表明,高浓度的复合涂层在盐水中长期浸泡时保持良好的防腐性能。在酸性气氛中所有基础涂层的颜色变为黑色。对于在盐雾室中放置一周后的清洁涂层覆盖物的中心区域松动,微小的锈蚀痕迹发生。表面点蚀是由于涂层过早破裂造成的当涂层损伤区域内腐蚀介质的积累加速了基体的腐蚀。复合涂层表面具有广泛的裂纹和层状并且可以看到开放的金属基质。与纯石墨烯防腐薄膜相比，石墨烯有机复合防腐涂料既能够兼顾石墨烯优异的抗渗透性、化学稳定性和力学性能等，又可发挥有机树脂对金属基体的强附着性和成膜性，具有良好的协同作用。更为关键的是石墨烯有机复合涂层对金属基体的选择性不高，对设备要求也不高，制备方法简单，成本低，还可在原有的石墨烯/聚合物复合材料生产工艺上进行大规模大面积生产。因此，在金属表面制备新型石墨烯有机复合防腐涂层是未来防腐涂层领域的主要研究方向。首先，石墨烯材料是柔性的，这就允许石墨烯涂层能够很好的匹配基底表面的粗糙度和曲率，与被保护材料之间形成良好接触。其次，石墨烯中电子云的离域化导致芳香网络在整个基平面上延伸，使石墨烯具有热力学稳定性，这种化学惰性是用作保护涂层所必需的。最后，石墨烯材料具有优异的阻隔性能，其致密的晶格会形成一个不可渗透的物理屏障，甚至可以阻挡了最小的原子氦原子。

结论:腐蚀性物质会穿透涂层缺陷并到达金属表面，会导致膜下腐蚀。当将石墨烯基材料作为填料添加到聚合物中时，石墨烯基纳米材料会减少涂层的孔隙率，延长腐蚀介质进入涂层的路径，从而延缓腐蚀过程。未来，石墨烯防腐涂料将着重解决石墨烯等纳米粒子在聚合物基体中的分散等问题，开发类型更为丰富的石墨烯/聚合物防腐材料。

参考文献：

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