[論文レビュー] Carbon nanotube/metal corrosion issues for nanotube coatings and inclusions in a matrix

Farhad Daneshvar|arXiv (Cornell University)|Nov 3, 2018

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 36被引用数 4

ひとこと要約

本レビューでは、金属基複合材料およびコーティングにおけるカーボンナノチューブ（CNTs）の腐食抵抗性向上に果たす役割を調査する。CNTsは、不働態被膜の形成、コーティング-基板界面接着性の強化、亜鉛含有ポリマーコーティングにおける犠牲的保護の実現によって腐食保護を向上させる。ニッケルベースのCNT電析被膜は顕著な性能向上を示すが、マグネシウムベースの複合材料では結果が矛盾する傾向がある。

ABSTRACT

Corrosion is an inevitable phenomenon that is inherent in metals and even though there has been significant research on this subject, no ideal protection has been discovered to fully prevent corrosion. However, methods such as using protective coatings, and modifying the structure or composition of the material have been used to slow down gradual corrosion and fortunately they proved to be quite beneficial. The research focus has shifted to integrating novel materials and structures to improve the corrosion resistance of composites. Carbon nanotubes (CNTs) are an attractive and promising filler due to their chemical inertness and high mechanical, electrical, and thermal properties. CNTs can fill the gaps of metals and polymer-based composites by forming a passive layer on metals and promoting sacrificial protection in zinc rich polymer (ZRP) coatings, and can therefore function as an anti-corrosion filler. This paper reviews the research that has been performed to better understand the influence of CNTs on corrosion resistance in composites. Accordingly, in metal matrix composites (MMCs), most of the work has been carried out on electrodeposited coatings, namely Ni-based-CNT composites, which show improved corrosion resistance by CNT addition. On the other hand, there are a few papers that have studied the corrosion resistance of Mg-based-CNT composites and their corrosion results contradict those obtained from other metal-CNT composites. For ZRPs or polymer-based coatings there are a few papers that studied the effect of CNTs on the corrosion of said composites. It is believed that CNTs can strengthen the adhesion between the coating and the substrate and facilitate sacrificial protection by Zn particles by forming a conductive network, hence the improved corrosion resistance.

研究の動機と目的

• 金属マトリックス複合材料（MMC）およびポリマーコーティングにおけるカーボンナノチューブ（CNTs）を防食フィラーとしての有効性を評価すること。
• CNTsが腐食抵抗性を向上させるメカニズム、特に不働態被膜形成および導電ネットワーク効果を特定すること。
• マグネシウムベースのCNT複合材料と他の金属-CNTシステムとの間で見られる腐食性能の差異を分析すること。
• 保護コーティングおよび構造用複合材料へのCNT統合に関する、現在の研究動向と課題を要約すること。

提案手法

• CNTsを含む金属およびポリマーマトリックス複合材料に関する査読付き論文の体系的レビュー。
• ニッケルベースのCNT電析被膜、マグネシウムベースのCNT複合材料、亜鉛含有ポリマー（ZRP）コーティングに関する研究からの実験データの分析。
• CNTが界面接着性の向上、不働態被膜形成、犠牲的保護のための導電ネットワーク形成に果たす役割の評価。
• 腐食抵抗性指標（腐食電位、腐食電流密度、極化抵抗）を、異なるCNT複合材料システム間で比較。
• レビューされた研究で主な評価手法として用いられた電気化学的技術（ポテンシオダイナミック極化およびインピーダンススペクトロスコピー（EIS））の使用。
• 腐食性能を最適化するためのCNT統合における構造的および組成的変更に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カーボンナノチューブは、ニッケルベースの金属マトリックス複合材料の腐食抵抗性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 CNT添加が亜鉛含有ポリマー（ZRP）コーティングにおける腐食保護の向上に寄与するメカニズムは何か？
• RQ3 なぜマグネシウムベースのCNT複合材料は、他の金属-CNTシステムと比較して矛盾した腐食結果を示すのか？
• RQ4 CNTは、複合材料システムにおけるコーティングと金属基板間の接着性をどの程度向上させるか？
• RQ5 導電性CNTネットワークの形成が、ZRPコーティングにおける犠牲的保護にどのように寄与するか？

主な発見

• ニッケルベースのCNT電析被膜は、CNT誘発の不働態被膜形成およびコーティングの整合性向上により、腐食抵抗性が向上していることが示された。
• 亜鉛含有ポリマー（ZRP）コーティングでは、CNTが導電ネットワークを形成し、亜鉛粒子による犠牲的保護を強化することで、全体的な腐食抵抗性が向上した。
• CNTはコーティングと金属基板間の界面接着性を強化し、剥離および腐食発生の抑制に寄与した。
• マグネシウムベースのCNT複合材料は一貫した腐食性能を示さず、一部の研究では改善ではなく劣化が報告されており、複雑な界面相互作用が関与している可能性がある。
• CNTの化学的不活性性は、複合材料マトリックス内での長期的安定性に寄与するが、分散性および界面結合性の確保が依然として重要な課題である。
• 電気化学的測定では、CNT修飾系において腐食電流密度が低下し、極化抵抗が増加しており、腐食抵抗性の向上が確認された。