ایجاد پوشش اپوکسی اصلاح شده با نانوحامل کربنی و چارچوب کامپوزیتی جهت محافظت از خوردگی حفره‌ای در سازه های هوافضایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء(ص)، تهران، ایران

چکیده
مقدمه:خوردگی حفره‌ای یکی از مخرب‌ترین انواع تخریب موضعی فلزات در محیط‌های حاوی یون کلرید است و تهدیدی جدی برای سازه‌های هوافضایی به شمار می‌رود. پوشش‌های اپوکسی متداول به دلیل نفوذپذیری و فقدان سازوکارهای حفاظتی فعال، کارایی محدودی در مهار این نوع خوردگی دارند. هدف این پژوهش، توسعه یک پوشش اپوکسی اصلاح‌شده با نانوکامپوزیت هیبریدی اکسید گرافن کاهش‌یافته (rGO) و چارچوب فلزیآلی زئولیتی (ZIF-8) به‌منظور افزایش مقاومت در برابر خوردگی حفره‌ای و بهبود خاصیت خودترمیمی است.
روش:فیلم‌های اپوکسینانوکامپوزیت با افزودن 0/5 درصد وزنی از rGO، ZIF-8 و نانوکامپوزیت هیبریدی rGO–ZIF-8 تهیه و بر روی زیرلایه فولادی اعمال شدند. مشخصه‌یابی ساختاری و ریزساختاری با آزمون‌های FT-IR و FE-SEM انجام شد. عملکرد ضدخوردگی پوشش‌ها در شرایط خراش‌دار و بدون خراش با استفاده از آزمون‌های امپدانس الکتروشیمیایی (EIS)، مه‌نمکی تا 45 روز، جدایش کاتدی و چسبندگی Pull-off ارزیابی شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد پوشش حاوی نانوکامپوزیت هیبریدی rGO–ZIF-8/EPC بالاترین مقاومت الکتروشیمیایی، کمترین نفوذپذیری الکترولیت و بیشترین پایداری حفاظتی را در میان نمونه‌ها دارد. این پوشش در آزمون EIS نمونه‌های خراش‌خورده افزایش پایدار مقاومت کل را نشان داد و در آزمون مه‌نمکی، گسترش خوردگی پس از 45 روز عمدتاً به ناحیه خراش محدود ماند. همچنین، بهبود قابل‌توجه استحکام چسبندگی و تشکیل ریزساختار یکنواخت در تصاویر FE-SEM مشاهده شد.
نتیجه‌گیری: پوشش اپوکسی تقویت‌شده با نانوکامپوزیت هیبریدی rGO–ZIF-8 به دلیل اثر هم‌افزای سد فیزیکی اکسید گرافن کاهش‌یافته و رهایش کنترل‌شده یون‌های Zn² و لیگاندهای ZIF-8، عملکرد ضدخوردگی و خودترمیمی برتری نسبت به پوشش‌های مرجع ارائه داد. این سامانه می‌تواند به‌عنوان گزینه‌ای امیدبخش برای افزایش دوام و حفاظت سازه‌های فلزی، به‌ویژه در صنایع هوافضا و محیط‌های خورنده، مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Development of a Modified Epoxy Coating with a Carbon Nanocarrier and Composite Framework for Protecting against Pitting Corrosion in Aerospace Structures

نویسنده English

Gholamreza Faghani
Assistant professor, Department of Mechanical Engineering, Khatam-Ol-Anbia (PBU) University, Tehran, Iran
چکیده English

ntroduction:Pitting corrosion is one of the most destructive forms of localized metal degradation and poses a significant threat to aerospace structures exposed to chloride-containing environments. Conventional epoxy coatings provide limited protection because of their inherent permeability and the absence of active corrosion-inhibition mechanisms. This study aimed to develop a hybrid nanocomposite-reinforced epoxy coating based on reduced graphene oxide (rGO) and zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) to enhance pitting corrosion resistance and improve self-healing performance
Methods:Epoxy nanocomposite coatings containing 0.5 wt.% of rGO, ZIF-8, and hybrid rGO–ZIF-8 were fabricated and applied onto steel substrates. Structural and microstructural characterization was performed using Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) and field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM). Corrosion protection was evaluated under both intact and scratched conditions using electrochemical impedance spectroscopy (EIS), a 45-day salt spray test, cathodic disbondment, and pull-off adhesion testing
Findings:The rGO–ZIF-8/EPC coating exhibited the highest electrochemical resistance, the lowest electrolyte permeability, and the greatest protective stability among all coatings. Under scratched conditions, EIS measurements showed a sustained increase in total impedance, indicating effective active corrosion protection. Salt spray testing demonstrated that corrosion after 45 days remained largely confined to the scratched region. FE-SEM observations confirmed the formation of a more homogeneous microstructure, while pull-off testing revealed significantly improved coating adhesion.
Conclusion:The superior performance of the rGO–ZIF-8 reinforced epoxy coating is attributed to the synergistic combination of the physical barrier effect of rGO nanosheets and the controlled release of Zn²⁺ ions and imidazolate ligands from ZIF-8. This hybrid nanocomposite provides a stable, active, and self-healing protective system, making it a promising candidate for mitigating pitting corrosion in aerospace structures and other chloride-rich environments.

کلیدواژه‌ها English

Pitting corrosion
Epoxy coating
Reduced graphene oxide
Metal&‌‌‌ndash
organic framework
Self-healing
]1[ فغانی، غلامرضا، انواع خوردگی­ و روش­های کنترل و بازرسی آن در صنایع هوایی، انتشارات دانشگاه پدافند هوایی خاتم الانبیاء(ص)، چاپ اول، 1403، 70-69.
 [2] Tan YMike, Revie RWinston. Heterogeneous Electrode Processes and Localized Corrosion. 2024.
[3] Pourbaix M, Staehle RW. Introduction to Corrosion. In: Lectures on Electrochemical Corrosion. Boston, MA: Springer US; 1973, 1-22.
[4]Gibson G. Epoxy Resins. Brydson’s Plastics Materials: Eighth Edition. 2017;773–97.
[5]Jin FL, Li X, Park SJ. Synthesis and application of epoxy resins: A review. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2015;29:1–11.
[6] Parhizkar N, Ramezanzadeh B, Shahrabi T. Corrosion protection and adhesion properties of the epoxy coating applied on the steel substrate pre-treated by a sol-gel based silane coating filled with amino and isocyanate silane functionalized graphene oxide nanosheets. Appl Surf Sci. 2018;439:45–59.
[7] Park S, An J, Potts JR, Velamakanni A, Murali S, Ruoff RS. Hydrazine-reduction of graphite- and graphene oxide. Carbon N Y. 2011;49(9):3019–23.
[8] Kumar SSA, Bashir S, Ramesh K, Ramesh S. New perspectives on Graphene/Graphene oxide based polymer nanocomposites for corrosion applications: The relevance of the Graphene/Polymer barrier coatings. Prog Org Coat. 2021;154:106215.
[9] Kumar SSA, Bashir S, Ramesh K, Ramesh S. New perspectives on Graphene/Graphene oxide based polymer nanocomposites for corrosion applications: The relevance of the Graphene/Polymer barrier coatings. Prog Org Coat. 2021;154:106215.
[10] Saliba D, Ammar M, Rammal M, Al-Ghoul M, Hmadeh M. Crystal Growth of ZIF-8, ZIF-67, and Their Mixed-Metal Derivatives. J Am Chem Soc. 2023;140(5):1812–23.
[11] Wang L, Liu C, Bai Z, Huang Y, Liu X. Superhydrophobic ZIF-8/PEN films with ultralow dielectric constant and outstanding mechanical properties. Compos Sci Technol. 2022;225:109498.
[12] Tanaka S, Fujita K, Miyake Y, Miyamoto M, Hasegawa Y, Makino T, et al. Adsorption and Diffusion Phenomena in Crystal Size Engineered ZIF-8 MOF. Journal of Physical Chemistry C. 2025;119(51):28430–9.
[13] Yang H, Wang N, Wang L, Liu HX, An QF, Ji S. Vacuum-assisted assembly of ZIF-8@GO composite membranes on ceramic tube with enhanced organic solvent nanofiltration performance. J Memb Sci. 2018 Jan 1;545:158–66.
[14] Zhang Y, Jia Y, Li M, reports LHS, 2018 undefined. Influence of the 2-methylimidazole/zinc nitrate hexahydrate molar ratio on the synthesis of zeolitic imidazolate framework-8 crystals at room temperature. nature.comY Zhang, Y Jia, M Li, L HouScientific reports, 2025;1–8.
[15] Rathnayake RMNM, Wijayasinghe HWMAC, Pitawala HMTGA, Yoshimura M, Huang HH. Synthesis of graphene oxide and reduced graphene oxide by needle platy natural vein graphite. Appl Surf Sci, 2025;393:309–15.
[16] Ramezanzadeh M, Asghari M, Ramezanzadeh B, Bahlakeh G. Fabrication of an efficient system for Zn ions removal from industrial wastewater based on graphene oxide nanosheets decorated with highly crystalline polyaniline nanofibers (GO-PANI): Experimental and ab initio quantum mechanics approaches. Chemical Engineering Journal. 2018;337:385–97.
[17] Yang H, Wang N, Wang L, Liu HX, An QF, Ji S. Vacuum-assisted assembly of ZIF-8@GO composite membranes on ceramic tube with enhanced organic solvent nanofiltration performance. J Memb Sci. 2018;545:158–66.
[18] Wang J, Wang Y, Hu H, Yang Q, Cai J. From metal–organic frameworks to porous carbon materials: recent progress and prospects from energy and environmental perspectives. Nanoscale. 2025.12(7):4238–68.
[19] Ferrari A, Interpretation of Raman spectra of disordered and amorphous carbon. APSAC Ferrari, J RobertsonPhysical review B, 2025;61(20):14095–107.
[20] Burton AW, Ong K, Rea T, Chan IY. On the estimation of average crystallite size of zeolites from the Scherrer equation: A critical evaluation of its application to zeolites with one-dimensional pore systems. Microporous and Mesoporous Materials. 2009 Jan 1;117(1–2):75–90.
[21] Keshmiri N, Najmi P, Ramezanzadeh M, Ramezanzadeh B. Designing an eco-friendly lanthanide-based metal organic framework (MOF) assembled graphene-oxide with superior active anti-corrosion performance in epoxy composite. J Clean Prod. 2021 Oct 15;319:128732.
[22] Zheludkevich ML, Shchukin DG, Yasakau KA, Möhwald H, Ferreira MGS. Anticorrosion coatings with self-healing effect based on nanocontainers impregnated with corrosion inhibitor. Chemistry of Materials. 2022;19(3):402–11.
]23[ فغانی، غلامرضا، بررسی رفتار خوردگی پوشش­های چندلایه Ti/TiN ایجاد شده به روش کندوپاش مگنترونی خلأ بالا بر روی آلیاژ آلومینیم 7075، فصلنامه علمی پژوهشی دفاع هوافضایی، 2(1)، 1402: 14-1.
[24] Najmi P, Keshmiri N, Ramezanzadeh M, Ramezanzadeh B, Arjmand M. Porous 2D Ti3C2 MXene nanosheets sandwiched between imine-based covalent organic frameworks (COFs) for excellent corrosion protective coatings. Chemical Engineering Journal. 2023;456:141001.
[25] Mostafatabar AH, Bahlakeh G, Ramezanzadeh B. Novel bi-functional RGO-HPSE-Zn@epoxy nanocomposite with superior corrosion protection potency. Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022 Apr 25;108:28–46.
 [26] Moradi, S. A. H., Askari, H. R., Rahimi, M., Salimi, M., & Amirabadi, E. A. (2013). Changes in transmission spectrum, losses and reflection of electromagnetic waves by radar thin film of metallic silver nanoparticles. International Science and Investigation journal, 2(5), 53-59.
[27] Majid Amirzade , Nader Ghobadi*, Seyed Ali hosseini Moradi, M. (2023). Synthesis of Mn2V2O7 hollow microsphere as a high performance electrode material for supercapacitors. Iranian Journal of Ceramic Science & Engineering, 11(4), 35-45.
[28] Shirpay, , Bagheri Mohagheghi, Study of the effect of chemical reduction agent on the synthesis and structural properties of WO3-TeO2 and MoO3-TeO2 two-dimensional compounds.. Iranian Journal of Crystallography and Mineralogy, 2022; 30(1): 179-188. doi: 10.52547/ijcm.30.1.179

  • تاریخ دریافت 05 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 01 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 30 اردیبهشت 1405