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Evaluation of Porosity and Corrosion Protection Ability of Sol-Gel Deposited Oxide Thin Films on Magnesium

Yekehtaz, Mehdi :
Evaluation of Porosity and Corrosion Protection Ability of Sol-Gel Deposited Oxide Thin Films on Magnesium.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Evaluation of Porosity and Corrosion Protection Ability of Sol-Gel Deposited Oxide Thin Films on Magnesium
Language: English
Abstract:

Some valuable properties of magnesium like high strength-to-weight ratio, high thermal conductivity, good electromagnetic shielding and machinability have made it an excellent material for various applications in automobile and aerospace components, sporting goods and household equipments. Despite of these valuable properties, poor corrosion and wear resistance restrict its application. The deposition of a protective film acting as a barrier between the material and its environment is an effective solution to preserve the metal from a corrosive attack. Good adhesion, uniformity and freedom from defects are necessary properties to ensure a good protection performance. Sol–gel deposition can provide ceramic-like films with high density and hardness at very low temperatures in a fast and inexpensive way. The low reaction temperature and the mixture of organic and inorganic materials lead to the formation of coatings containing both inorganic and organic moieties. The inorganic component enhances hardness, durability and adhesion to the metal substrate while the organic component leads to an increased flexibility and density. The major challenge of sol–gel deposited films is the prevention of pinholes and open porosities arising from the deposition process. Local porosities can produce direct paths between the corrosive environment and the substrate and increase the susceptibility of the materials to corrode. Despite of huge effort on resolving of this drawback, there is still no systematical manner to overcome this problem. In this work, several thin films obtained from sol-gel solutions containing silicon and zirconium were deposited on magnesium samples. Effect of sol solution parameters such as the amount of catalyst, stabilizing agent, water, co-solvent and heat treatment temperature on the porosity of the final film was investigated. Electrochemical methods such as potentiodynamic scans and electrochemical impedance spectroscopy were applied. It was shown that along with other parameters, the structure of precursor also plays an important role on the porous nature of the resulting film. It was also shown that these films are able to increase the corrosion resistance of magnesium in several environments. Film characterization methods proved the formation of an inter-diffusion layer between substrate and the coating which could be responsible for corrosion resistance enhancement.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Viele nützliche Eigenschaften von Magnesium, wie dessen hohes Zugfestigkeits/Gewicht Verhältnis, seine hohe thermische Leitfähigkeit und die gute elektromagnetische Abschirmeigenschaft sowie dessen sehr gute Verarbeitungsmöglichkeiten, machen es zu einem exzellenten Material für unterschiedlichste Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und bei Automobilkomponenten, Sportartikeln sowie Haushaltsprodukten. Trotz dieser wertvollen Eigenschaften schränken sein schlechtes Korrosionsverhalten und seine geringe Verschleißfestigkeit dessen Anwendung ein. Die Abscheidung einer schützenden Schicht, die als Sperre zwischen dem Material und seiner Umgebung dient, ist eine wirkungsvolle Lösung, um das Metall vor einem korrosiven Angriff zu schützen. Gute Adhäsion, Gleichförmigkeit und Defektfreiheit sind die notwendigen Eigenschaften, um einen guten Schutz zu gewährleisten. Sol-Gel-Abscheidung ermöglicht keramikähnliche Schichten mit hoher Dichte und Härte bei sehr niedrigen Temperaturen in einer schnellen und kostengünstigen Weise. Die niedrige Reaktionstemperatur und die Mischung organischer und anorganischer Materialien führen zur Anordnung von Schichten, welche anorganische und organische Anteile enthalten. Der anorganische Bestandteil erhöht die Härte, Haltbarkeit und Adhäsion zum Metallsubstrat, während der organische zu einer erhöhten Flexibilität und Dichte führt. Die Hauptherausforderung der mittels Sol-Gel abgeschiedenen Schichten ist die Entstehung von Löchern und offenen Poren zu verhindern, welche durch den Abscheidungsprozess entstehen. Lokale Porosität kann direkte Wege zwischen der korrosiven Umgebung und dem Substrat erzeugen und die Anfälligkeit der Materialien erhöhen. Trotz der sehr großen Bemühung, diese Beeinträchtigung zu beheben, wurde noch keine Systematik erarbeitet, dieses Problem zu überwinden. In dieser Arbeit wurden dünne Schichten, bestehend aus Silizium und Zirkonium, mittels Sol-Gel-Lösungen auf Magnesiumproben abgeschieden. Der Einfluss unterschiedlicher Parameter der Sol-Gel-Lösung, wie die Menge des Katalysators, des Stabilisierungsmittels, des Wassers, des Ko-Lösungsmittels und der Sintertemperatur auf die Porosität des abgeschiedenen Films wurde untersucht. Elektrochemische Methoden wie potentiostatische Scans und elektrochemische Impendanzspektroskopie wurden angewendet. Es wurde gezeigt, dass zusammen mit anderen Parametern die Struktur des Precursors eine wichtige Rolle für die Porosität des resultierenden Filmes spielt. Es wurde nachgewiesen, dass diese Filme in der Lage sind, die Korrosionsbeständigkeit des Magnesiums in einigen Umgebungen zu erhöhen. Schichtcharaktersierende Methoden belegten die Ausbildung einer Zwischendiffusionsschicht zwischen Substrat und der Schicht, welche für die Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit verantwortlich sein könnte.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Materialanalytik
Date Deposited: 01 Nov 2010 10:43
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23122
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang and Müller, Prof. Dr. Clemens
Refereed: 8 October 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2312
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