鋁鎂合金表面披覆環氧樹脂/奈米碳管複合塗層之耐磨耗腐蝕性質

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李正國*1、黃俊彥 1、黃凱平 1、譚安宏 1、李源發 2

Electrochemical Study on the Wear-corrosionproperties of Al-Mg Alloy with Epoxy/Carbon

Nano-tube Composite CoatingC. K. Lee*1, C. Y. Huang1, K. P. Huang 1, A. H. Tan 1, Y. F. Lee2

本研究嘗試添加奈米碳管粉末於環氧樹脂中，以增加樹脂的導電性、耐腐蝕與磨耗腐

蝕性。將此複合塗層塗佈於 5083 鋁鎂合金基材，以塊對環(Block-on-ring)表面摩擦方式在 3.5wt% NaCl 水溶液中施加負荷 100 g、轉速 100 rpm、磨耗 60 分鐘。並在 0.5 M H2SO4 + 2 ppmNaF 腐蝕環境下以電化學極化量測評估其耐腐蝕行為。實驗結果顯示環氧樹脂/多壁奈米碳管複合塗層有優越的耐腐蝕性，在奈米碳管達 8%時電阻率可減低至 9.96×10-2 Ω cm，相對於 5083鋁鎂合金具有優異的腐蝕與磨耗腐蝕保護性行為(腐蝕電流密度只有 0.746 µA cm-2)，並且隨著奈米碳管的增加而減少了磨耗損失，在奈米碳管達 16%時摩擦係數(µ)僅有 0.052左右，比類鑽薄膜之摩擦係數(大約 0.1)還要低。

關鍵詞：多壁奈米碳管；5083 鋁鎂合金；磨耗腐蝕；摩擦係數。

ABSTRACT

The purpose of the present study is to evaluate the effect of epoxy/carbon nano-tubecomposite coating adding with different concentrations (4 ~ 20%) of multiple-wall carbon nano-tube on the electrical conductivity, corrosion and wear-corrosion properties of 5083 Al-Mg alloy.The wear-corrosion test was performed in 3.5 wt.% NaCl solution by a block-on ring frictionmanner, with applied normal load of 100 g and wear rotation speed of 100 rpm. The wear-corrosion testing time was 60 min. Electrochemical potentiodynamic polarization was conductedin solution of 0.5 M H2SO4 + 2 ppm NaF to evaluate the corrosion behavior of specimens. Theexperimental results indicated that epoxy/ carbon nano-tube (CNT) has an excellent corrosion

防蝕工程　第二十二卷第一期　第 67 ～ 72 頁　2008 年 3 月Journal of Chinese Corrosion Engineering, Vol. 22, No. 1, pp. 67 ~ 72 (2008)

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1 清雲科技大學機械工程系所1 Dept. of Mechanical Engineering, Ching Yun University2 中山科學研究院2 Chung-Shan Institute of Science & Technology* 連絡作者：cklee@cyu.edu.tw

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resistance behavior with high corrosion potential and low corrosion current density (0 .746µA cm-2). The epoxy/carbon nano-tube composite coating also showed an excellent wear-corrosion resistance, and the wear loss decreased with increasing concentration of CNT. When theconcentration of CNT reached to 16% the friction coefficient (µ) of epoxy/carbon nano-tubecomposite coating was reduced to about 0.052, which was lower than that of diamond-like carbon(DLC) film (about 0.1).

Keywords: Epoxy/carbon nano-tube composite coating; Multiple-wall carbon nano-tube; 5083 Al-Mg alloy; Wear-corrosion resistance.

1. 高分子/黏土奈米複合材料的應用研究已在某

些方面具有潛力發展。通常無機奈米層狀黏土有效

分散於不同的高分子基材時，會導致高分子材料本

身熱穩定性的增加[1]，機械強度的提升[2]，尺寸安定

性的增加[3]，阻氣性的增加[4]，難燃性的增加[5]，金

屬防蝕的提升[6]，及吸水率的降低[3]等特性。利用奈

米化學技術可研製高阻氣之有機高分子材料，取其

高分子之輕量化及易加工之競爭優勢，可應用到塑

膠罐頭、塑膠啤酒罐或光電封裝等民生、電子產品[7]。添加不同奈米碳管比例，發現環氧樹脂和金屬

表面間添加入奈米碳管，有對於黏附著力的影響，

而優選的添加不同奈米碳管，使環氧樹脂改進黏著

力量，對於環氧樹脂在熱性質與機械性質有所助益。

奈米碳管近年來已廣泛被開發，由於其具備粉體粒

徑小、高比表面積等量子特性，已成為提升現階段

產品改質之應用添加劑主要開發方向，如提升耐燃

特性(Fire Retardant, FR)、提升熱變形溫度、增加導電或導磁(EMI shielding)、增加機械強度等附加功能。高分子環氧樹脂材料有優異的耐壓、耐震效果、

耐磨耗性能以及高黏著強度，而且奈米碳管有高強

度、質量輕、高韌性、可饒曲性、高熱傳導性且導

電性等特異優越性質，因此嘗試添加奈米碳管粉末

於環氧樹脂中，以增加樹脂的導電性、耐腐蝕與磨

耗腐蝕性。本研究主要目的是將環氧樹脂(火焰自熄性改質型環氧樹脂)添加不同濃度多壁奈米碳管披覆在 5083 鋁鎂合金基材表面上，以探討對 5083 鋁鎂合金的導電性以及在 0.5 M H2SO4 + 2 ppm NaF 腐蝕環境下的電化學腐蝕性質與在 3.5 wt% NaCl 水溶液中磨耗腐蝕的保護性之影響效應。

2. 2.1

將試片(1 cm × 1 cm × 0.7 cm)裝置於機台上，如圖 1 所示。以槓桿原理施加荷重，接著以塊對環(block-on-ring)試驗方式，在 3.5 wt.% NaCl 水溶液中，使試片與燒結氧化鋁(Al2O3)陶瓷環對磨，磨耗轉動速率為 100 rpm、外加荷重為 100 g、磨耗時間為 60 分鐘，量測摩擦力對時間的變化，將摩擦力除以外加荷重以計算錄摩擦係數的變化，試驗後並量

測計算試片的重量損失。

圖 1 磨耗腐蝕試驗裝置與塊對環(Block-on-ring)摩擦示意圖。

Figure 1 The block-on-ring type of wear-corrosiontesting apparatus.

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2.2以電化學動態極化量測評估其耐腐蝕行為。電

化學量測儀器為型號 EG&G Model-273A，並利用EG&G公司所發展之M352 分析軟體與 POWERSUIT軟體控制電腦操作，進行電化學極化測量，使用標

準的三電極系統裝置[8]。測量試片動態極化曲線，

試片為工作電極，參考電極為飽和甘汞電(SCE)，輔助電極為白金電極(Pt)，溶液為 0.5 M H2SO4＋ 2 ppmNaF。動態極化掃描測試，起使電位為平衡電位以下－0.25 VSCE開始掃描，以掃描速率 1 mV/sec 掃描到平衡電位以上＋1.6 VSCE。由動態極化曲線可以得到腐蝕電流密度(icorr)、腐蝕電位(Ecorr)及腐蝕極化阻抗(Rp)等，以探討試片在 0.5 M H2SO4＋2ppm NaF水溶液中的腐蝕行為。

所有試片經腐蝕與磨耗腐蝕後，再利用掃描式

電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)來觀察鋁鎂合金及其複合塗層的表面破壞形態。

3. 3.1

磨耗腐蝕試驗是將鋁鎂合金與不同條件的複合

塗層試片，浸置於 3.5 wt.% NaCl 水溶液中，然後進行磨耗實驗，進行磨耗轉動速率 100 rpm、荷重為 100g、磨耗 60 分鐘。圖 2 為摩擦係數對時間的關係，圖 3 為重量損失的變化，由圖 2 與圖 3 可發現摩擦係數與重量損失，均有隨著奈米碳管濃度的增加而

減少，尤其在奈米碳管達 16%時，摩擦係數明顯地降低至 0.052 左右，比類鑽薄膜的 0.1 還要低。圖 4的 SEM 表面破壞形態觀察，可以看出鋁鎂基材、環氧樹脂以及不同環氧樹脂/多壁奈米碳管複合塗層保護下的差異，鋁鎂合金基材表面產生明顯而較深的

刮痕，並有不少的細小蝕孔。而環氧樹脂及添加入

奈米碳管後，由於有樹脂的保護，加上奈米碳管耐

磨耗以及耐酸鹼的特性下，使得表面的破壞已降到

最低，表面呈現出光滑而沒有磨損現象，且幾乎看

不出有任何的腐蝕孔洞發生，證實了環氧樹脂及其

多壁奈米碳管複合塗層有優異的耐磨耗腐蝕性。

Time (sec)0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Fric

tion

coef

ficie

nt ( µ

)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.305083-substrateEP+0%CNTEP+4%CNTEP+8%CNTEP+12%CNTEP+16%CNTEP+20%CNT

圖 2 磨耗腐蝕試驗 60 分鐘荷重 100 克之摩擦係數比較圖。

Figure 2 The friction coefficient (µ) versus testingtime for all specimens after the wear-corrosion test under a normal load of 100g.

圖 3 磨耗腐蝕試驗 60 分鐘荷重 100 克之重量損失圖。

Figure 3 The wear loss of all specimens after the wear-corrosion test under a normal load of 100gand testing time of 60 min.

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3.2 圖 5 顯示不同百分比之奈米碳管/環氧樹脂複

合塗層在 0.5 M H2SO4+ 2 ppm NaF 溶液中之動態極化曲線，由圖 5 可清楚發現環氧樹脂有最佳的耐腐蝕行為(最低的陽極腐蝕電流密度)，而環氧樹脂/多壁奈米碳管複合塗層隨著奈米碳管濃度的增加，陽

極極化曲線電流密度有減少的趨勢，電位也趨向比

較貴性的方向發展。由電化學動態極化曲線所得到

的電化學特性值整理如表 1 所示。當奈米碳管濃度比例達到 8%時，可發現到電位明顯增加，腐蝕電流密度增至 0 .746µA cm-2，但相對於鋁基材的腐蝕電流密度 43.77 µA cm-2 比較仍然明顯減少，而且由四點探針板電阻量測結果顯示環氧樹脂/多壁奈米碳管複合塗層的導電性在奈米碳管達 8%時有明顯的增

(a) (b)

(c) (d)圖 4 磨耗腐蝕試驗後表面破壞圖：(a) 5083 鋁鎂合金基材，(b) 塗佈環氧樹脂，(c) 塗佈環氧樹脂添加奈米

碳管 8%，(d) 塗佈環氧樹脂添加奈米碳管 20%。Figure 4 SEM photomicrograph showing the surface morphology of all specimens after wear-corrosion test: (a) 5083

Al-Mg alloy substrate, (b) epoxy coating, (c) epoxy with 8% nano-tube coating, (d) epoxy with 20% nano-tube coating.

圖 5 塗佈環氧樹脂添加不同百分比之奈米碳管在 0.5 M H2SO4+ 2 ppm NaF 溶液中之動態極化曲線。

Figure 5 The potentiodynamic polarization curves forall specimens tested in 0.5 M H2SO4+ 2 ppmNaF solution.

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加，電其阻率可減低至 9.96×10-2 Ω cm，因此在奈米碳管達 8%以上時，不但可有導電性，更有優越的耐腐蝕性，此種特性將可作為燃料電池電極材料的最

佳應用。添加至 12%時極化曲線電流密度有減少的趨勢，電位也趨向貴性的方向發展。圖 6 分別顯示鋁鎂合金基材、與樹脂添加奈米碳管塗佈保護下，

在 0.5 M H2SO4+ 2 ppm NaF 腐蝕溶液環境下有無塗佈樹脂添加奈米碳管破壞的程度。由圖 6(a)可以看出 5083 鋁鎂基材腐蝕試驗前的光滑表面，以及 5083

鋁鎂合金基材腐蝕試驗後在沒鍍膜的保護下，被腐

蝕的狀況相當嚴重，表面產生數量很多且龜裂破壞

的孔洞。由圖 6(b)可觀察環氧樹脂保護了 5083 鋁鎂合金基材。由圖 6(c)清楚發現添加了奈米碳管 8%後，可明顯比較出因為樹脂會導電後，腐蝕破壞隨

著奈米碳管塗佈周圍進行腐蝕破壞。由圖 6(d)發現奈米碳管增至 20%時，沿著奈米碳管周邊產生較明顯的腐蝕孔洞與破裂現象。

表 1. 塗佈環氧樹脂添加不同百分比之奈米碳管在 0.5 M H2SO4+ 2 ppm NaF 溶液中之電化學極化特性值。Table 1 The electrochemical characteristic data obtained form potentiodynamic polarization curves for all specimens.Specimen 5083-substrate EP＋0% CNT EP＋4% CNT EP＋8% CNT EP＋12% CNT EP＋16% CNT EP＋20% CNTEcorr (mV) -624.6 -334.9 1.001 54.04 253.3 298.1 334.0icorr (µA/cm2) 43.77 0.00306 0.00548 0.746 1.988 1.22 1.547Rp (K Ohms) 0.4961 7085 3985 29.10 10.92 17.93 14.04

(a) (b)

(c) (d)圖 6 腐蝕後的表面形態：(a) 5083 鋁鎂合金基材，(b) 環氧樹脂塗層，(c) 環氧樹脂添加 8%奈米碳管，(d) 環

氧樹脂添加 20%奈米碳管。Figure 6 SEM photomicrograph showing the surface morphology of all specimen after potentiodynamic polarization test.

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4. 1. 在 3.5 wt% NaCl 水溶液中，環氧樹脂/多壁奈米

碳管複合塗層對於 5083 鋁鎂合金有優異的磨耗腐蝕保護性，並隨奈米碳管濃度的增加，摩擦係

數與磨耗損失均有減少現象，在奈米碳管達 16%時，摩擦係數降低至 0.052 左右，比類鑽薄膜的0.1 還要低。

2. 環氧樹脂/多壁奈米碳管複合塗層有優越的耐腐蝕性，在奈米碳管達 8%時電阻率可減低至9.96×10-2 Ω cm，雖然耐腐蝕性有減低現象，但相對於 5083 鋁鎂合金仍然具有優異的腐蝕保護性行為(腐蝕電流密度僅有 0.746 µA cm-2)。

本研究承國科會 NSC95-2221-E-231-020 經費援助，特此致謝。

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收到日期：2007 年 7 月 20 日修訂日期：2007 年 11 月 28 日接受日期：2007 年 12 月 3 日

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