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镁合金表面“导电-耐蚀”化学转化膜的多维度探究与优化策略

一、引言

1.1研究背景与意义

镁合金作为目前最轻的金属结构材料，凭借其众多优异性能，在现代工业领域中占据着愈发重要的地位。其密度通常在1.75-1.85g/cm3之间，约为铝合金的2/3、钢材的1/4，这使得它在对重量有严格要求的应用场景中具有显著优势，如航空航天领域，减轻飞行器重量可有效提升燃料效率和飞行性能。同时，镁合金还具备较高的比强度，比强度高于铝合金和钢，比刚度接近于铝合金，能够在承受较大载荷的情况下保持良好的结构稳定性，这使其在汽车制造中得到广泛应用，可用于制造发动机缸体、变速箱壳体、轮毂等部件，在实现汽车轻量化的同时，还能提升汽车的操控性能和燃油经济性。此外，镁合金还具有良好的电磁屏蔽性，能有效阻挡电磁干扰，因此在电子设备中，如手机、电脑的外壳制造上，既能保护内部精密电子元件不受外界电磁干扰，又能防止设备自身产生的电磁辐射对人体造成危害；它的良好散热性也能确保电子设备在长时间运行过程中保持适宜的温度，提高设备的稳定性和使用寿命。其出色的减震性能，能有效吸收和缓冲震动能量，在航空航天、汽车以及精密仪器等领域，可减少震动对设备的损害，提高设备的可靠性和稳定性。在生物医学领域，镁合金还展现出良好的生物相容性和生物降解性，有望成为理想的生物医用材料，如可降解的骨折固定器械，在骨折愈合后可逐渐降解，避免二次手术取出带来的痛苦和风险。

然而，镁合金的化学活性较高，这成为限制其广泛应用的关键因素。镁的标准电极电位低至-2.37V，极易与环境中的氧、水等发生化学反应。在潮湿的空气中，镁合金表面会迅速形成一层疏松多孔的氧化镁薄膜，其致密系数小于1，无法有效阻挡外界腐蚀介质的侵入，导致镁合金持续被腐蚀。当镁合金与其他金属接触时，由于电位差的存在，会发生电偶腐蚀，加速镁合金的腐蚀进程。在含Cl?的介质中，镁合金的腐蚀速度会显著加快，这在海洋环境、使用融雪剂的道路等场景中尤为明显，严重影响了镁合金在这些环境下的使用性能和寿命。据统计，每年因腐蚀导致的镁合金材料损失和设备维修成本巨大，这不仅造成了资源的浪费，还限制了镁合金在更多领域的推广应用。

为了解决镁合金的腐蚀问题，科研人员及企业不断探索和实践，研发出了一系列的镁合金表面处理技术，化学转化膜便是其中重要的一种。化学转化膜是利用镁合金与化学处理液之间的化学反应，在镁合金表面形成氧化物或金属化合物钝化膜。这种膜层与基体结合良好，能在一定程度上提高镁合金的耐蚀性。化学转化膜处理工艺具有设备小、占地少、操作简单、能耗低、成本低廉等优点，相较于其他表面处理技术，如阳极氧化、微弧氧化等，化学转化膜处理不需要复杂的设备和高昂的能耗，更易于实现大规模工业化生产。同时，化学转化膜还可以作为后续涂层的良好底层，提高涂层与基体之间的附着力，进一步增强镁合金的防护性能。

在一些对导电性有要求的应用场景中，如电子设备的外壳、航空航天中的导电部件等，传统的化学转化膜可能会影响镁合金的导电性。而开发具有良好导电性的化学转化膜，既能保证镁合金的耐蚀性，又能满足其在这些特殊领域的导电需求，具有重要的现实意义。例如，在5G通信设备中，镁合金外壳需要具备良好的导电性以实现电磁屏蔽功能，同时又要具备优异的耐蚀性来保证设备在复杂环境下的长期稳定运行。因此，研究镁合金“导电-耐蚀”化学转化膜，对于拓宽镁合金的应用领域，提高其在不同环境下的使用性能，具有重要的理论和实际应用价值。

1.2国内外研究现状

在镁合金化学转化膜的研究领域，国内外学者进行了大量深入且富有成效的探索，研究成果涵盖了多种类型的转化膜以及相关的制备工艺。

铬酸盐转化膜曾是镁合金表面处理中应用最为广泛且技术成熟的一种化学转化膜。道（Dow）化学公司开发的铬酸盐转化技术具有代表性，如Dow7工艺采用重铬酸钠和氟化镁，在镁合金表面生成铬盐及基体金属化合物，形成的膜层起着屏障作用，能够减缓腐蚀，并且具有自修复功能。高瑾等人采用Dowl方法在镁合金表面制备的铬化膜，其形貌呈现显微网状裂纹，膜层主要组成为MgO?Cr2O3、CrO3及MgCrO4。然而，铬酸盐转化膜处理液中含有毒性高且易致癌的六价铬，对人体健康和环境造成严重危害，随着环保法规的日益严格，其应用受到了极大的限制，逐步被取缔。

为了替代铬酸盐转化膜，无铬化学转化膜成为研究热点，其中磷酸盐转化膜备受关注。HAWKE等对镁合金AM60B进行磷酸盐转化处理，获得了以Mg3(PO4)2为主要组成物的磷化膜，膜厚约4-6μm。LI等指出，镁合金表面磷化膜的生长可分为两个阶段，第一阶段为镁合金表面微阳极(α相)和微阴极(β相)的形