CN104567657A - 一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，其特征在于，是采用三电极体系，测得试样在不同条件下的电化学阻抗谱，电化学阻抗谱用Zview软件选择相应的等效电路进行拟合，得到常相位角元件CPE的值Z_CPE，同时利用Matlab图像处理和图像捕获工具箱对SEM图像处理得到表面粗糙度值Ra，并将两组数据进行处理，得到两组数据一致的变化趋势。本发明数据采集便利，耗时短，准确度高。本发明克服了传统方法对试样表面要求高，大大节省时间，无须对试样进行处理，无须照SEM图像。本发明可用于进行不同材料，不同阴极保护电位下试样粗糙度的比较。

Description

一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面腐蚀粗糙度表征的方法。特别是涉及一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法。

背景技术

在腐蚀电化学实验中，对腐蚀后的试样经常需要通过扫描电镜SEM观察表面腐蚀形貌，观察有无穿孔，判断粗糙度以表明腐蚀严重程度。

目前利用Matlab图像处理和图像捕获工具箱对SEM图像处理来检验表面粗糙度的技术已经得到应用，但对于图像质量要求较高，表面无划痕，无倾斜，凸起等；且扫描电镜SEM成本较高且耗时较长，对试样表面要求较高(无污染、水分、磁性等)，因此通过电化学阻抗谱等效电路拟合得到1/Z_CPE来表征腐蚀程度可以大大节省时间，不会对试样本身造成破坏；且1/Z_CPE表征的是整个工作面的粗糙度，与传统针测法测得结果相比，更为准确。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种数据采集便利，耗时短，准确度高的基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，其特征在于，是采用三电极体系，测得试样在不同条件下的电化学阻抗谱，电化学阻抗谱用Zview软件选择相应的等效电路进行拟合，得到常相位角元件CPE的值Z_CPE，同时利用Matlab图像处理和图像捕获工具箱对SEM图像处理得到表面粗糙度值Ra，并将两组数据进行处理，得到两组数据一致的变化趋势。

具体包括如下步骤：

1)通过等效电路拟合电化学阻抗谱得到Z_CPE；同时利用现有的Matlab处理SEM图像技术得到表面粗糙度值Ra；

2)将Z_CPE的值取倒数得到1/Z_CPE；

3)将数据1/Z_CPE和表面粗糙度值Ra作为原始数据分别进行归一化处理，得到处理后的两组数据；

4)将处理后的两组数据作图进行对比，得到两组数据一致的变化趋势。

所述的归一化处理的方法是：

(1)设原始数据为：X₁，X₂，X₃....X_n；

(2)对原始数据X₁，X₂，X₃....X_n采用如下处理函数分别进行处理：

Y＝(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)

X为原始数据，Y为归一化处理后的数据，MaxValue为原始数据的最大值，MinValue为原始数据的最小值。

本发明的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，数据采集便利，耗时短，准确度高。本发明克服了传统方法对试样表面要求高，大大节省时间，无须对试样进行处理，无须照SEM图像。本发明可用于进行不同材料，不同阴极保护电位下试样粗糙度的比较。

附图说明

图1a是不同保护电位下空蚀1h电化学阻抗谱；

图1b是不同保护电位下空蚀2h电化学阻抗谱；

图1c是不同保护电位下空蚀4h电化学阻抗谱；

图1d是不同保护电位下空蚀8h电化学阻抗谱；

图2a是0mV保护电位下电化学阻抗谱的等效电路拟合模型；

图2b是-800mV、-1000mV、-1200mV保护电位下电化学阻抗谱的等效电路拟合模型；

图3a是0mV保护电位下材料表面腐蚀形貌SEM图；

图3b是-800mV保护电位下材料表面腐蚀形貌SEM图；

图3c是-1000mV保护电位下材料表面腐蚀形貌SEM图；

图3d是-1200mV保护电位下材料表面腐蚀形貌SEM图；

图4是实验测得1/Z_CPE与Matlab图像处理结果Ra归一化曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法做出详细说明。

本发明的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，更加具体的说，是利用电化学阻抗谱等效电路拟合得到参数1/Z_CPE，与基于Matlab图像处理测得电子显微镜扫描图像(SEM)表面粗糙度值Ra进行对比，两者数据归一化处理后，可以得到明显的相关性。

本发明的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法所使用的电化学实验装置包括试样台、三电极体系：试样(工作电极)、参比电极(SCE电极)、辅助电极(铂电极)以及PARSTAT2273电化学工作站。电化学测试装置与试样段相连接时，采用传统的三电极体系，工作电极为一般金属材料(如碳钢、不锈钢等)试样，一般呈正方形，且焊接导线引出，除了工作面，其他面用环氧胶泥涂抹，一般厚度为0.1-0.3mm,工作面一般用水砂纸依次打磨，去离子水清洗，酒精棉球擦净，冷风吹干。辅助电极为铂电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)；接通PARSTAT2273工作站，即可测定不同工况下的电化学阻抗谱。所用扫描电子显微镜为一般教学、科研用显微镜，各试样扫描图像分辨率一致，Matlab版本为R2013b。

本发明的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，是采用三电极体系，测得试样在不同条件下的电化学阻抗谱，电化学阻抗谱用Zview软件选择相应的等效电路进行拟合，得到常相位角元件CPE的值Z_CPE，同时利用Matlab图像处理和图像捕获工具箱对SEM图像处理得到表面粗糙度值Ra，并将两组数据进行处理，得到两组数据一致的变化趋势。具体包括如下步骤：

1)通过等效电路拟合电化学阻抗谱得到Z_CPE，例如：

利用磁致伸缩空蚀实验机对Q235钢在3.5％NaCl溶液中进行了空蚀实验，并采用扫描电镜(SEM)观察了不同阴极保护电位(0mV、-800mV、-1000mV、-1200mV)、不同时间(1h、2h、4h、8h)空蚀后试样的形貌。通过将不同保护电位下电化学阻抗谱(EIS)结果进行拟合得到Z_CPE值随时间变化的特点。

同时利用现有的Matlab处理SEM图像技术得到表面粗糙度值Ra，得到的不同保护电位下材料表面腐蚀形貌SEM图如图3a、图3b、图3c、图3d所示。

2)将Z_CPE的值取倒数得到1/Z_CPE，如表1中所示。

3)将数据1/Z_CPE和表面粗糙度值Ra作为原始数据分别进行归一化处理，得到处理后的两组数据，参见表1；

所述的归一化处理的方法是：

(1)设原始数据为：X₁，X₂，X₃....X_n；

(2)对原始数据X₁，X₂，X₃....X_n采用如下处理函数分别进行处理：

Y＝(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)

X为原始数据，Y为归一化处理后的数据，MaxValue为原始数据的最大值，MinValue为原始数据的最小值。

4)将处理后的两组数据作图进行对比，得到两组数据一致的变化趋势，如图4所示。

表1 实验测得1/Z_CPE结果与Matlab图像处理结果Ra

下面通过具体的实例对本发明作进一步的详细描述。将工作面为2cm²的Q235钢用水砂纸依次打磨至1200#且水平，去离子水清洗，酒精棉球擦拭，冷风吹干,分别在电位0mV、-800mV、-1000mV、-1200mV保护下进行8小时空蚀实验。空蚀实验设备采用型号为HM-500M的磁致伸缩式超声处理仪。空蚀振动频率设为20KHz，功率为216W，试样固定在距离变幅杆端面处，介质温度控制在20±2℃。

空蚀电化学测量采用PARSTAT2273电化学工作站。ZF-3恒电位仪施加阴极保护。电化学测量采用三电极体系，参比电极(RE)为饱和甘汞电极，对电极(CE)为铂电极。

空蚀1h、2h、4h、8h后测得电化学阻抗谱如图1a、图1b、图1c、图1d所示，材料表面腐蚀形貌SEM图如图3所示。自腐蚀电位下(0mV)阻抗谱用图2(a)等效电路拟合，-800mV、-1000mV、-1200mV保护电位下采用图2(b)等效电路拟合。拟合结果与Matlab图像处理结果见表1。

为了两组数据便于比较变化趋势，本发明采用基于归一化处理的方法：

原始数据(X₁，X₂，X₃....X_n)   (1)

归一化处理函数Y＝(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)   (2)

X、Y分别为归一化前、后的值，MaxValue、MinValue分别为原始数据的最大值和最小值。

实验中取等效电路拟合1/Z_CPE结果与Matlab图像处理结果Ra两组数据进行归一化处理进行比较，如图3a、图3b、图3c、图3d所示。结果证明基于电话学等效电路拟合结果和现有技术的Matlab图像处理结果Ra数据经过归一化处理后存在一致性，所以可以用来表征腐蚀表面的粗糙度。

Claims (3)

1.一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，其特征在于，是采用三电极体系，测得试样在不同条件下的电化学阻抗谱，电化学阻抗谱用Zview软件选择相应的等效电路进行拟合，得到常相位角元件CPE的值Z_CPE，同时利用Matlab图像处理和图像捕获工具箱对SEM图像处理得到表面粗糙度值Ra，并将两组数据进行处理，得到两组数据一致的变化趋势。

2.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)通过等效电路拟合电化学阻抗谱得到Z_CPE；同时利用现有的Matlab处理SEM图像技术得到表面粗糙度值Ra；

2)将Z_CPE的值取倒数得到1/Z_CPE；

3)将数据1/Z_CPE和表面粗糙度值Ra作为原始数据分别进行归一化处理，得到处理后的两组数据；

4)将处理后的两组数据作图进行对比，得到两组数据一致的变化趋势。

3.根据权利要求2所述的一种基于电化学阻抗谱的金属表面腐蚀粗糙度表征的方法，其特征在于，所述的归一化处理的方法是：

(1)设原始数据为：X₁，X₂，X₃....X_n；

(2)对原始数据X₁，X₂，X₃....X_n采用如下处理函数分别进行处理：

Y＝(X-MinValue)/(MaxValue-MinValue)

X为原始数据，Y为归一化处理后的数据，MaxValue为原始数据的最大值，MinValue为原始数据的最小值。