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金属材料已被广泛地应用到现代工农业生产中各个领域和人们的日常生活中。然而，金属腐蚀给人类社会发展和经济建设带来巨大的损失。因此，开展对金属腐蚀与防护的研究既具有重大的社会经济意义，也有着重要的基础性研究意义。向金属所接触的溶液环境中加入缓蚀剂是一种简易而非常有效的金属防腐策略。随着人们环保意识的不断增强和国家可持续发展战略的布局，对缓蚀剂的要求也越来越高，不仅要求高效稳定，而且还要求在开发的过程中减少对环境的污染，符合绿色环保的理念。对此，以天然提取物为原料，构筑高效、稳定的绿色环保缓蚀剂，既能实现对金属高效地防护，同时也能符合社会可持续发展的需求。有机聚合物涂层是目前广泛应用，且非常有效的防护手段之一。向涂层中混入二维纳米片层材料，是增强涂层防腐蚀性能非常有效的策略。石墨烯及石墨烯衍生物作为一种特殊的二维片层材料，具有一些独特的防腐蚀性能，被视为是“最薄”的防护材料。基于此，通过耦合石墨烯优异的防腐蚀性能，构筑出具有高耐蚀性能的石墨烯复合防腐膜层，并围绕石墨烯复合膜层的防腐蚀性能及机理展开了系统地研究。因此，本论文主要研究内容和结果如下：
(1)基于协同防腐增强效应，构建了由一种提取物葡甘露聚糖(GL)和一种环保的对称双季铵盐(BQAS)组成的绿色复合物缓蚀剂。借助开路电位(OCP)、失重法、动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)、扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)等技术和方法，系统研究了所构建的复合物对低碳钢在模拟海水腐蚀介质中的缓蚀性能和缓蚀机理。研究结果表明，由GL和BQAS组成的复合物属于一种混合型缓蚀剂，可以通过抑制低碳钢在海水腐蚀介质中的阴极反应和阳极溶解，实现对低碳钢的腐蚀保护，缓蚀效率高达98%。通过对GL和BQAS在低碳钢表面吸附的热力学研究，并结合低碳钢表面的X射线光电子能谱(XPS)，发现GL和BQAS在低碳钢表面的吸附涉及到物理吸附和化学吸附两种吸附，符合Langmuir等温式。同时，详细探讨了条件因素对复合物缓蚀效率的影响。研究发现，复合物的缓蚀效率随GL和BQAS浓度以及浸渍时间的增加而增加，但随溶液温度的升高而降低。
(2)单组分的天然提取物葡甘露聚糖(GL)展示较低的防腐蚀性能，基于此，借助表面改性技术，采用琥珀酸、4-氨基偶氮苯对GL结构进行修饰，成功地制备出一种结构中含N、O等杂化原子以及芳环基团的GL衍生物(GL-PA)。通过利用开路电位(OCP)、失重法、动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)、SEM以及能谱仪(EDS)等技术和方法，详细研究了GL-PA对低碳钢在0.5MHCl溶液腐蚀介质中的缓蚀性能和缓蚀机理。结果表明，GL-PA作为一种混合型缓蚀剂，通过抑制低碳钢在0.5MHCl溶液腐蚀介质中的阳极溶解和阴极反应，实现对低碳钢的腐蚀保护，缓蚀效率高达95.2%，高于GL(72.8%)和产物中间体(GL-P)(87.0%)。通过对GL-PA在低碳钢表面吸附过程的热力学研究，发现GL-PA通过物理吸附和化学吸附在低碳钢表面形成保护膜，实现对低碳钢的保护作用。进一步地，通过密度泛函理论(DFT)的计算，表明GL-PA的吸附活性点位于Ph-N=N-Ph-NH-C(O)-单元体上，这与实验中所观察到的结果具有一致性。
(3)在铝合金表面构筑高耐蚀的类水滑石(LDHs)转化膜层对铝合金的进一步广泛地使用具有重要作用，然而单纯LDHs耐蚀性能较差。因此，基于石墨烯优异的防腐蚀性能，采用了一种水热连续流动法，在铝合金6N01表面发展出了一种新颖、高耐蚀的还原氧化石墨烯/锌铝类水滑石(RGO/ZnAl-LDH)复合转化膜。通过利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外变换(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)以及扫描电子显微镜(SEM)等技术，充分地证实了RGO成功地复合在ZnAl-LDH结构中，同时RGO/ZnAl-LDH转化膜具有更加致密、规整的形貌特征。通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)，详细研究了RGO/ZnAl-LDH复合转化膜在3.5wt％和5.0wt％NaCl溶液中浸渍不同时间段后的防腐蚀性能。结果显示，在5.0wt％NaCl溶液中浸渍7天后，RGO/ZnAl-LDH复合转化膜的耐蚀效率依然高达(98.25%)，远高于ZnAl-LDH转化膜的(70.13%)。这种耐蚀性能显著增强的原因主要归因于RGO/ZnAl-LDH复合转化膜中的RGO。
(4)提高石墨烯在有机聚合物涂层中分散性对增强涂层的防腐蚀性能至关重要。基于共价改性的策略，借助于原位合成技术和成盐法，采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二甲基乙醇胺(DMEA)、乙酸等修饰改性还原氧化石墨烯，成功地制备出水溶液中分散良好的阳离子还原氧化石墨烯(RGO-ID+)。接着，通过与阴极环氧电泳涂料复配，利用电沉积技术，成功地实现RGO-ID+以自对齐的形式分散在环氧电泳涂层中。通过利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外变换(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)以及扫描电子显微镜(SEM)等技术，充分地表征了RGO-ID+结构。SEM的结果表明，RGO-ID+以自对齐的形式分散在复合涂层中。通过动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)以及盐雾试验等，详细地探讨了RGO-ID+涂层在中性和强碱性(pH=12.0)的3.5和5.0wt％NaCl溶液中的防腐蚀性能。结果表明，RGO-ID+涂层在5.0wt％NaCl溶液(pH=12.0)中浸渍30天后依然具有非常优异的防腐蚀性能。这种显著增强的防腐蚀性能归因于涂层内自对齐分布的RGO-ID+纳米片以及其结构中的季铵盐基团。同时，RGO-ID+具有增强的抗大肠杆菌(E. coli)活性，抗菌效率为(83.4±1.3)％。RGO-ID+高的自抗E.coli活性归因于E.coli细胞和RGO-ID+之间产生的静电吸引和氢键的协同作用。
(1)基于协同防腐增强效应，构建了由一种提取物葡甘露聚糖(GL)和一种环保的对称双季铵盐(BQAS)组成的绿色复合物缓蚀剂。借助开路电位(OCP)、失重法、动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)、扫描电子显微镜(SEM)以及原子力显微镜(AFM)等技术和方法，系统研究了所构建的复合物对低碳钢在模拟海水腐蚀介质中的缓蚀性能和缓蚀机理。研究结果表明，由GL和BQAS组成的复合物属于一种混合型缓蚀剂，可以通过抑制低碳钢在海水腐蚀介质中的阴极反应和阳极溶解，实现对低碳钢的腐蚀保护，缓蚀效率高达98%。通过对GL和BQAS在低碳钢表面吸附的热力学研究，并结合低碳钢表面的X射线光电子能谱(XPS)，发现GL和BQAS在低碳钢表面的吸附涉及到物理吸附和化学吸附两种吸附，符合Langmuir等温式。同时，详细探讨了条件因素对复合物缓蚀效率的影响。研究发现，复合物的缓蚀效率随GL和BQAS浓度以及浸渍时间的增加而增加，但随溶液温度的升高而降低。
(2)单组分的天然提取物葡甘露聚糖(GL)展示较低的防腐蚀性能，基于此，借助表面改性技术，采用琥珀酸、4-氨基偶氮苯对GL结构进行修饰，成功地制备出一种结构中含N、O等杂化原子以及芳环基团的GL衍生物(GL-PA)。通过利用开路电位(OCP)、失重法、动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)、SEM以及能谱仪(EDS)等技术和方法，详细研究了GL-PA对低碳钢在0.5MHCl溶液腐蚀介质中的缓蚀性能和缓蚀机理。结果表明，GL-PA作为一种混合型缓蚀剂，通过抑制低碳钢在0.5MHCl溶液腐蚀介质中的阳极溶解和阴极反应，实现对低碳钢的腐蚀保护，缓蚀效率高达95.2%，高于GL(72.8%)和产物中间体(GL-P)(87.0%)。通过对GL-PA在低碳钢表面吸附过程的热力学研究，发现GL-PA通过物理吸附和化学吸附在低碳钢表面形成保护膜，实现对低碳钢的保护作用。进一步地，通过密度泛函理论(DFT)的计算，表明GL-PA的吸附活性点位于Ph-N=N-Ph-NH-C(O)-单元体上，这与实验中所观察到的结果具有一致性。
(3)在铝合金表面构筑高耐蚀的类水滑石(LDHs)转化膜层对铝合金的进一步广泛地使用具有重要作用，然而单纯LDHs耐蚀性能较差。因此，基于石墨烯优异的防腐蚀性能，采用了一种水热连续流动法，在铝合金6N01表面发展出了一种新颖、高耐蚀的还原氧化石墨烯/锌铝类水滑石(RGO/ZnAl-LDH)复合转化膜。通过利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外变换(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)以及扫描电子显微镜(SEM)等技术，充分地证实了RGO成功地复合在ZnAl-LDH结构中，同时RGO/ZnAl-LDH转化膜具有更加致密、规整的形貌特征。通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)，详细研究了RGO/ZnAl-LDH复合转化膜在3.5wt％和5.0wt％NaCl溶液中浸渍不同时间段后的防腐蚀性能。结果显示，在5.0wt％NaCl溶液中浸渍7天后，RGO/ZnAl-LDH复合转化膜的耐蚀效率依然高达(98.25%)，远高于ZnAl-LDH转化膜的(70.13%)。这种耐蚀性能显著增强的原因主要归因于RGO/ZnAl-LDH复合转化膜中的RGO。
(4)提高石墨烯在有机聚合物涂层中分散性对增强涂层的防腐蚀性能至关重要。基于共价改性的策略，借助于原位合成技术和成盐法，采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二甲基乙醇胺(DMEA)、乙酸等修饰改性还原氧化石墨烯，成功地制备出水溶液中分散良好的阳离子还原氧化石墨烯(RGO-ID+)。接着，通过与阴极环氧电泳涂料复配，利用电沉积技术，成功地实现RGO-ID+以自对齐的形式分散在环氧电泳涂层中。通过利用X射线衍射(XRD)、傅里叶红外变换(FT-IR)光谱、拉曼(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)以及扫描电子显微镜(SEM)等技术，充分地表征了RGO-ID+结构。SEM的结果表明，RGO-ID+以自对齐的形式分散在复合涂层中。通过动电位极化曲线、电化学阻抗谱(EIS)以及盐雾试验等，详细地探讨了RGO-ID+涂层在中性和强碱性(pH=12.0)的3.5和5.0wt％NaCl溶液中的防腐蚀性能。结果表明，RGO-ID+涂层在5.0wt％NaCl溶液(pH=12.0)中浸渍30天后依然具有非常优异的防腐蚀性能。这种显著增强的防腐蚀性能归因于涂层内自对齐分布的RGO-ID+纳米片以及其结构中的季铵盐基团。同时，RGO-ID+具有增强的抗大肠杆菌(E. coli)活性，抗菌效率为(83.4±1.3)％。RGO-ID+高的自抗E.coli活性归因于E.coli细胞和RGO-ID+之间产生的静电吸引和氢键的协同作用。