CN102928625A - 用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，包括围成电解槽腔的上部结构和下部结构：在下部结构的中央设置有凹槽，所述的上部结构包括矩形框架，在矩形框架中的前侧壁为透明材质，在矩形框架中的左侧壁和右侧壁上分别设置有连通外界和电解槽内的沟槽；本发明还涉及一种利用上述电解池对板状试样腐蚀的方法。本发明使板状试样横向穿过电解槽的结构，尤其适用处于受力载荷或存在残余应力的金属材料试样的腐蚀实验。即可以通过恒载荷加载或慢应变速率拉伸对板状试样沿纵向力学加载，实时、原位研究协同作用下的金属材料、腐蚀介质以及力学因素对金属材料腐蚀特征及腐蚀速度的影响，深入辨析腐蚀的微观机理。

Description

用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池及其应用。属于电化学电解池的技术领域。

背景技术

目前，通常用于腐蚀电化学研究的扫描电化学显微镜（SECM）电解池，其底部带通透圆孔的结构，使用时将研究试样插入该孔，这种电解池适用于开展研究面（即工作面）为柱状材料（如金属或合金棒材）横截面（底面）的情况。上述研究材料（即基体电极）与电解池组合的局限性在于，在实验过程中研究材料必须处于静态，而且无法实现对试样进行力学加载。

中国专利CN102183678A公开一种用于扫描电化学显微镜的多功能电解池，该电解池包括呈凹形、内侧设有螺纹I的上盖和下盖及两端带与所述螺纹I相匹配的螺纹II并且内装电解质溶液的双层圆筒。上盖、下盖、双层圆筒之间通过螺纹I、螺纹II相接；上盖设有圆孔I、圆孔II和圆孔III；圆孔I内设有工作电极；圆孔II中插有玻璃弯管I；圆孔III中插有玻璃弯管II；双层圆筒的侧壁上部设有出水口，其侧壁底部分别设有进水口、侧支管I、侧支管II；侧支管I、侧支管II对称设置，并分别放置参比电极和对电极。该发明通过下盖的不同结构，可完成三电极体系、四电极体系以及复杂体系的实验，其操作简便、拆卸方便，提高了研究效率。但是该发明专利的不足之处在于：（1）所涉及的电解池附带一个盛放电解质溶液的双层圆筒，结构比较复杂；（2）工作电极通过一个圆孔设置，工作面依然为柱状材料（如金属或合金）的横截面（底面）。因此，对于一些处于受力载荷（如恒载荷或慢拉伸过程）或存在残余应力的金属材料试样而言，上述结构的电解池并不适用，原因在于受力载荷或存在残余应力的金属材料试样多为板状试样。

发明内容

针对现有的技术不足，本发明克服常规底部带孔结构的电解池只能用于研究棒状材料底面的弊端，提供一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池。

本发明还提供一种利用上述电解池对板状载荷试样腐蚀的方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，包括围成电解槽腔的上部结构和下部结构：在下部结构的中央设置有凹槽，所述的上部结构包括矩形框架，在矩形框架中的前侧壁为透明材质，在矩形框架中的左侧壁和右侧壁上分别设置有连通外界和电解槽内的沟槽；所述上部结构和下部结构之间设置有密封垫，所述密封垫的外形与所述上部结构的横截面的形状相适应；所述的上部结构、密封垫和下部结构在外力的作用下紧密连接。

根据本发明优选的，固定螺栓对上部结构、密封垫和下部结构进行紧密连接固定。

根据本发明优选的，在下部结构的中央设置有的凹槽为矩形凹槽，其外形尺寸如下，长度范围：18-22mm，宽度范围：11-15mm，高度范围：4-5mm。

根据本发明优选的，所述下部结构的外形尺寸如下：长度范围：45-55mm，宽度范围：40-45mm，高度范围：10-12mm。

根据本发明优选的，所述下部结构为有机玻璃材质。

根据本发明优选的，在上部结构的矩形框架，其外形尺寸如下，长度范围：45-55mm，宽度范围：40-45mm，高度范围：20-25mm；其框架所围成矩形的尺寸如下，长度范围：22-28mm，宽度范围：18-22mm；所述沟槽的尺寸如下，宽度范围：6-8mm，深度范围：4-5mm。

根据本发明优选的，所述上部结构为有机玻璃材质。

根据本发明优选的，在矩形框架中的前侧壁为有机玻璃材质，厚度范围：2-3mm。本发明通过该前侧壁形成的视窗，利用长焦距显微镜（CCD）实施对扫描电化学显微镜探头与基体工作电极之间距离调控的辅助监测。

根据本发明优选的，所述的密封垫为硅橡胶密封垫。

一种利用上述电解池对板状载荷试样腐蚀的方法，包括步骤如下：

（1）准备待腐蚀试样：将待腐蚀试样加工制成板状试样，其板状试样的标距段尺寸与所述上部结构的沟槽尺寸匹配，备用；

（2）安装电解槽、板状试样、参比电极和辅助电极：将所述的板状试样的标距段的两端搭设在所述矩形框架左侧壁和右侧壁的沟槽内，利用固定螺栓将上部结构、密封垫圈和下部结构固定密封；在板状试样的上方安装、固定参比电极和辅助电极；其中所述的板状试样即为工作电极；

（3）安装、调节探头：在X-Y-Z三维位置传感器上固定探头，通过位置传感器调节使探头靠近板状试样表面，探头和板状试样表面之间的距离通过长焦距显微镜CCD监控；所述的探头为Pt微圆盘电极，所述圆盘电极的直径10μm；

（4）向上述步骤（2）形成的电解槽内加入电解质溶液；

（5）对板状试样进行力学加载，即为板状载荷试样：将位于电解槽外部的板状试样的两端与慢应变速率拉伸试验机的夹头连接、固定，设置拉伸试验参数，开始拉伸试验；所述的慢应变速率拉伸试验机为卧式拉伸机，其在水平方向对所述的板状试样进行力学加载；

（6）将探头、板状试样、参比电极和辅助电极分别与双恒电位仪连接，利用现有的计算机控制的实验软件进行腐蚀电化学测量。

根据本发明优选的，在所述步骤（2）中，将处于电解槽内部的板状试样标距段利用聚四氟乙烯带封包密封，只留出居中的3mm段接触电解质溶液。

本发明的优点在于：

本发明采用上、下两部分叠合的方式构筑电解池，且上部的结构中的沟槽能满足板状试样横向穿过电解槽，使所述板状试样的工作面处于电解质溶液中。为了解决研究受力载荷下板状试样的问题，本发明通过大量的实验，获得了精确的电解池结构和尺寸的具体数据：这种板状试样横向穿过电解槽的结构，尤其适用处于受力载荷或存在残余应力的金属材料试样的腐蚀实验。即可以通过恒载荷加载或慢应变速率拉伸对板状试样沿纵向力学加载，实时、原位（In situ）研究协同作用下的金属材料（组成、结构）、腐蚀介质以及力学因素对金属材料腐蚀特征及腐蚀速度的影响，深入辨析腐蚀的微观机理。

附图说明

图1本发明所述电解池的上部结构的俯视图；

图2本发明所述电解池的下部结构的俯视图；

在图1-2中，1、下部结构；2、凹槽；3、上部结构；4、矩形框架；5、矩形框架的前侧壁；6、矩形框架的左侧壁；7、矩形框架的右侧壁；8、沟槽；9、固定螺栓。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。

实施例1、

如图1-2所示。

一种用于板状试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，包括围成电解槽腔的上部结构3和下部结构1：在下部结构1的中央设置有凹槽2，所述的上部结构3包括矩形框架4，在矩形框架4中的前侧壁5为透明材质，在矩形框架4中的左侧壁6和右侧壁7上分别设置有连通外界和电解槽内的沟槽8；所述上部结构3和下部结构1之间设置有密封垫，所述密封垫的外形与所述上部结构3的横截面的形状相适应；所述的上部结构3、密封垫和下部结构1在外力的作用下紧密连接。

固定螺栓9对上部结构3、密封垫和下部结构1进行紧密连接固定。在下部结构1的中央设置有的凹槽2为矩形凹槽，其外形尺寸如下，长度：20mm，宽度：13mm，高度：4mm。

所述下部结构1的外形尺寸如下：长度：50mm，宽度：43mm，高度：10mm；所述下部结构1为有机玻璃材质。

在上部结构3的矩形框架4，其外形尺寸如下，长度：50mm，宽度：43mm，高度：22mm；其框架所围成矩形的尺寸如下，长度：25mm，宽度：20mm；所述沟槽的尺寸如下，宽度：7mm，高度：4mm。

所述上部结构3为有机玻璃材质。在矩形框架4中的前侧壁5为有机玻璃材质，厚度范围：3mm。所述的密封垫为硅橡胶密封垫。

实施例2、

一种利用实施例1所述的电解池结合扫描电化学显微镜仪器研究板状载荷304不锈钢试样腐蚀的方法，包括步骤如下：

（1）准备304不锈钢试样：将304不锈钢试样加工制成板状试样，其板状试样的标距段尺寸与所述上部结构的沟槽尺寸匹配，备用；

（2）安装电解槽、板状试样、参比电极和辅助电极：将所述的板状试样的标距段的两端搭设在所述矩形框架左侧壁和右侧壁的沟槽内，利用固定螺栓将上部结构、密封垫圈和下部结构固定密封；在板状试样的上方安装、固定参比电极和辅助电极；其中所述的板状试样即为工作电极；其中，处于电解槽内部的板状试样标距段利用聚四氟乙烯带封包密封，只留出居中的3mm段接触电解质溶液；在接触溶液的板状试样标距段的上方安装、固定参比电极和辅助电极；所述的参比电极选用饱和甘汞电极（SCE）；所述辅助电极为Pt丝；

（3）安装、调节探头：在X-Y-Z三维位置传感器上固定探头，通过位置传感器调节使探头靠近板状试样表面，探头和板状试样表面之间的距离通过长焦距显微镜CCD监控；所述的探头为Pt微圆盘电极，所述圆盘电极的直径为10μm；

（4）向上述步骤（2）形成的电解槽内加入电解质溶液，所述电解质溶液为浓度0.1mol/L的NaCl溶液；

（5）对板状试样进行力学加载，即为板状载荷304不锈钢试样：将位于电解槽外部的板状试样的两端与慢应变速率拉伸试验机的夹头连接、固定，设置拉伸试验参数，开始拉伸试验；所述的慢应变速率拉伸试验机为卧式拉伸机，其在水平方向对所述的板状试样进行力学加载；

（6）将探头、板状试样、参比电极和辅助电极分别与双恒电位仪连接，利用现有的计算机控制的实验软件进行腐蚀电化学测量。

为了获得板状载荷试样较好的受力腐蚀效果，可在加工制作板状试样时在标距段中央部位的单边侧预制裂纹，本实施例中预制的裂纹长1mm，所述板状载荷试样的裂纹部分在接触电解液时受力腐蚀明显，裂纹扩展延长。

Claims (10)

1.一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，该电解池包括围成电解槽腔的上部结构和下部结构：在下部结构的中央设置有凹槽，所述的上部结构包括矩形框架，在矩形框架中的前侧壁为透明材质，在矩形框架中的左侧壁和右侧壁上分别设置有连通外界和电解槽内的沟槽；所述上部结构和下部结构之间设置有密封垫，所述密封垫的外形与所述上部结构的横截面的形状相适应；所述的上部结构、密封垫和下部结构在外力的作用下紧密连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，利用固定螺栓对上部结构、密封垫和下部结构进行紧密连接固定。

3.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，在下部结构的中央设置有的凹槽为矩形凹槽，其外形尺寸如下，长度范围：18-22mm，宽度范围：11-15mm，高度范围：4-5mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，所述下部结构的外形尺寸如下：长度范围：45-55mm，宽度范围：40-45mm，高度范围：10-12mm。

5.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，所述下部结构为有机玻璃材质；所述上部结构为有机玻璃材质。

6.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，在上部结构的矩形框架，其外形尺寸如下，长度范围：45-55mm，宽度范围：40-45mm，高度范围：20-25mm；其框架所围成矩形的尺寸如下，长度范围：22-28mm，宽度范围：18-22mm；所述沟槽的尺寸如下，宽度范围：6-8mm，高度范围：4-5mm。

7.根据权利要求1所述的一种用于板状试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，在矩形框架中的前侧壁为有机玻璃材质，厚度范围：2-3mm。

8.根据权利要求1所述的一种用于板状载荷试样腐蚀研究的扫描电化学显微镜电解池，其特征在于，所述的密封垫为硅橡胶密封垫。

9.一种利用如权利要求1所述电解池对板状载荷试样腐蚀的方法，其特征在于，该方法包括步骤如下：

（1）准备待腐蚀试样：将待腐蚀试样加工制成板状试样，其板状试样的标距段尺寸与所述上部结构的沟槽尺寸匹配，备用；

（2）安装电解槽、板状试样、参比电极和辅助电极：将所述的板状试样的标距段的两端搭设在所述矩形框架左侧壁和右侧壁的沟槽内，利用固定螺栓将上部结构、密封垫圈和下部结构固定密封；在板状试样的上方安装、固定参比电极和辅助电极；其中所述的板状试样即为工作电极；

（3）安装、调节探头：在X-Y-Z三维位置传感器上固定探头，通过位置传感器调节使探头靠近板状试样表面，探头和板状试样表面之间的距离通过长焦距显微镜CCD监控；所述的探头为Pt微圆盘电极，所述圆盘电极直径为10μm；

（4）向上述步骤（2）形成的电解槽内加入电解质溶液；

（5）对板状载荷试样进行力学加载，即为板状载荷试样：将位于电解槽外部的板状试样的两端与慢应变速率拉伸试验机的夹头连接、固定，设置拉伸试验参数，开始拉伸试验；所述的慢应变速率拉伸试验机为卧式拉伸机，其在水平方向对所述的板状试样进行力学加载；

（6）将探头、板状试样、参比电极和辅助电极分别与双恒电位仪连接，利用现有的计算机控制的实验软件进行腐蚀电化学测量。

10.根据权利要求9所述的对板状载荷试样腐蚀的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，将处于电解槽内部的板状试样标距段利用聚四氟乙烯带封包密封，只留出居中的3mm段接触电解质溶液。

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