CN104990863A - 一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，本方法使用的装置包括铁架台、螺旋测微器Ⅰ、Ⅱ及对应的探针Ⅰ、Ⅱ，储液槽通电磁阀与电解槽连接。试验前，先进行线路连接，将万用表连接于螺旋测微器Ⅰ和工作电极所在回路中；螺旋测微器Ⅱ、铂电极与电磁阀的接线口连接，以使三者形成回路；再通过探针ⅠⅡ设定液膜厚度；正式测量时，即可通过电磁阀的接通和断开自动补充液位。本方法能在一定范围内自动、方便、准确地控制并保持薄液膜处于某一厚度，且该厚度可方便调节，实现一定液膜厚度下金属腐蚀的电化学数据采集，从而更利于研究在不同膜厚下金属的腐蚀机理。

Description

一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法

技术领域

本发明涉及薄液膜腐蚀试验改进，具体涉及一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，属于电化学腐蚀技术领域。

背景技术

大气腐蚀是金属材料最常见的腐蚀现象之一，危害性极大；大气腐蚀中的薄液膜腐蚀为腐蚀研究的重要研究方向。放置在大气环境中的金属表面通常会形成一层极薄的水膜，当水膜厚度达到20-30个分子厚度时，即形成电化学腐蚀所需要的电解液膜，也就是薄液膜。薄液膜中往往含有水溶性的腐蚀性电解质及溶入的腐蚀性气体，对金属腐蚀产生较大影响；同时薄液膜厚度直接决定了金属腐蚀速率，是大气腐蚀最重要的影响因素之一。

当金属表面液膜很薄时，氧气很容易通过液膜在金属表面形成饱和氧，金属表面易发生氧的去极化反应，成为主要的阴极反应；而金属离子或腐蚀产物在很薄的液层下扩散受到阻滞，阳极处于钝态，阳极反应不易进行。当液膜较厚时，氧气扩散到金属表面阻力增大，阴极反应受阻，阳极由于金属离子以及腐蚀产物扩散速度加快，使得阳极反应增加。

传统的薄液膜厚度测量方法：利用万用表数值改变来确定回路电阻变化，驱动螺旋测微器使探针逐渐接近液膜表面，当探针尖端刚与液面接触时，形成通路，万用表数值明显变化，记录螺旋测微器读数a，继续微调螺旋测微器，当万用表数字又一次突变时，停止驱动，此时探针与工作电极表面接触，记录螺旋测微器数值b，螺旋测微器的两次读数之差，即为液膜厚度。

传统的薄液膜膜厚测量方法测出的液膜厚度误差较大，当液膜厚度低至十几微米甚至更低时，螺旋测微器的细微改变都会使得螺旋测微器读数有巨大的差异，造成液膜厚度不准确，然而在对金属在薄液膜下的腐蚀研究中，微米级的膜厚是薄液膜腐蚀研究的重点。

同时，随着腐蚀反应的进行，电解槽中的溶液液面可能会因为挥发、参与反应等原因而降低，造成工作电极表面液膜厚度的极大改变，使得电化学工作站测出的数据不具有准确性以及可靠性，实验现象以及实验结果的重现性低。

研制一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，进而对各种材料的薄液膜腐蚀行为和腐蚀机理进行系统深入细致的研究，对于丰富和发展腐蚀学相关理论、尤其是薄液膜腐蚀理论具有重要的学术与理论价值；对于研发防护措施，减少工程中出现的薄液膜腐蚀问题，抑制大气腐蚀，延长大气环境中服役的各种设备的使用寿命，具有十分重要的现实意义和工程应用价值。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法。本方法能在一定范围内自动、方便、准确地控制并保持薄液膜处于某一厚度，且该厚度可方便调节，实现一定液膜厚度下金属腐蚀的电化学数据采集，从而更利于研究在不同膜厚下金属的腐蚀机理。

本发明的技术方案是这样实现的：

可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，本试验方法基于如下试验装置而进行，该试验装置包括铁架台，铁架台上放置电解槽，在铁架台上方的水平横梁上设有螺旋测微器Ⅰ和螺旋测微器Ⅱ，螺旋测微器Ⅰ和螺旋测微器Ⅱ底部对应设有探针Ⅰ和探针Ⅱ，探针Ⅰ和探针Ⅱ悬置于电解槽上方；一储液槽通过带控制阀的水管与电磁阀进液口连接，电磁阀出液口通过水管与电解槽连接，储液槽通过电磁阀给电解槽补充液位；电磁阀为常开式且流量可调；

试验步骤如下：

1）试验前，先进行线路连接

1.1）将试件固定于电解槽溶液中形成工作电极，同时将辅助电极与参比电极浸入电解槽中的溶液中，使参比电极距工作电极表面1-3mm；辅助电极、参比电极、工作电极分别通过导线与微机控制的电化学工作站的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统；

1.2）将万用表连接于螺旋测微器Ⅰ和工作电极所在回路中；

1.3）在电解槽溶液中浸入铂电极，螺旋测微器Ⅱ、铂电极分别经导线与电磁阀的接线口连接，以使三者形成回路；

2）再设定液膜厚度

2.1）调节探针Ⅰ和探针Ⅱ高度一致并使螺旋测微器Ⅰ和螺旋测微器Ⅱ示数一致；

2.2）关闭储液槽控制阀、电磁阀电源，打开万用表使用COM以及VΩ两个接线孔，量程选择200M，往下微调螺旋测微器Ⅰ，使得探针Ⅰ缓慢接近工作电极表面，当万用表读数发生变化时，停止微调，往上驱动螺旋测微器Ⅰ至距离工作电极表面一定高度，该高度即为所需膜厚，关闭万用表；同时再次调节螺旋测微器Ⅱ示数与螺旋测微器Ⅰ示数一致；从而完成液膜厚度设定；

3）正式测量和液位高度自动补充

打开储液槽控制阀及电磁阀电源，此时探针Ⅱ未与液面接触，电磁阀所在回路处于断路状态，由于电磁阀为常开式，电磁阀打开，储液槽中的液体经电磁阀控制流速后流入电解槽中，当电解槽液面上升至与探针Ⅱ接触时，此时的液膜厚度即为所需的膜厚，同时电磁阀、螺旋测微器Ⅱ及铂电极形成通路，此时电磁阀关闭，停止进液；

一旦电解槽中液膜厚度降低使探针Ⅱ脱离液面，电磁阀将打开向电解槽中补充液体直到电解槽液面上升至与探针Ⅱ接触，从而自动控制液膜厚度稳定；

此时即可通过电化学腐蚀测量系统测量试件的腐蚀电化学数据，用以研究薄液膜条件下试件的电化学腐蚀行为。

所述辅助电极按如下方法制作形成，截取一定长度的Φ16mm的PVC管，将Φ0.25mm、纯度为99.9%的铂丝，缠绕于PVC管外壁距离端部0.5mm处，形成铂丝辅助电极，并将其竖直固定在电解槽中底面上。

所述工作电极按如下方法制作形成，对直径为Φ10mm的圆柱体钢一底面焊接导线，用环氧树脂将焊接导线的圆柱体钢底面与整个侧面封闭于Φ15mm的PVC管中，仅露出作为工作电极的另一端面，封样后形成圆柱形试件；再将圆柱形试件固定在辅助电极直径为Φ16mm的PVC管件中，工作电极表面与辅助电极PVC管件端口保持同一平面。

所述工作电极表面放置微小水平泡，通过调节电解槽的底座上的三个呈三角分布的调平支座高度使工作电极表面水平。

所述探针的球头表面进行化学刻蚀处理，以制备疏水性探针球头表面，减小球头表面对溶液的吸附作用。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1）本方法能自动、方便、准确地控制并保持薄液膜处于某一厚度，实现稳定薄液膜厚度下金属腐蚀的电化学相关数据采集工作，从而更真实准确地测出在该膜厚下金属的腐蚀机理。可为减少金属的薄液膜腐蚀提供更准确、更可靠的依据，进而提高装备与器械的性能与寿命。

2）本方法液膜厚度可方便调节，且膜厚控制范围宽，利于对比研究不同膜厚下金属的腐蚀机理。

3）本方法自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

附图说明

图1-本发明试验方法所使用到的试验装置结构示意图。

图2是本发明三电极俯视图。

图3是用本发明试验方法对一具体试验体系进行试验得到的不同厚度下的电位-时间曲线。

图4是用本发明试验方法对一具体试验体系进行试验得到的不同厚度下的交流阻抗。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1，本发明可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，本试验方法基于如下试验装置而进行，该试验装置包括铁架台1，铁架台1上放置带微小水平泡的三角座可调实验电解槽2，在铁架台1上方的水平横梁9上通过夹具安装有螺旋测微器Ⅰ7和螺旋测微器Ⅱ10，螺旋测微器Ⅰ7和螺旋测微器Ⅱ10底部对应焊接设有探针Ⅰ6和探针Ⅱ11，探针Ⅰ6和探针Ⅱ11悬吊于电解槽2上方。一储液槽13通过带控制阀17的水管15a与电磁阀12进液口连接，电磁阀12出液口通过水管水管15b与电解槽2连接，储液槽13通过电磁阀12给电解槽2补充液位。储液槽13出液口高度高于电磁阀12进液口高度，电磁阀12出液口高度高于电解槽2进液口高度，这样储液槽13中的补充液在压力作用下经水管15b流入电磁阀12进液口，再经电磁阀12出液口流入电解槽2中。

电磁阀12为常开式且流量可调，即不带电时打开，带电则关断。

试验步骤如下：

1）试验前，先进行线路连接

1.1）将试件固定于电解槽2溶液中形成工作电极3，同时将辅助电极5与参比电极4浸入电解槽2中的溶液中，使参比电极4距工作电极3表面1-3mm；辅助电极5、参比电极4、工作电极3分别通过导线与微机控制的电化学工作站14的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统。

1.2）将万用表8连接于螺旋测微器Ⅰ7和工作电极3所在回路中。

1.3）在电解槽2溶液中浸入铂电极16，螺旋测微器Ⅱ10、铂电极16分别经导线与电磁阀12的接线口连接，以使三者形成回路。

2）再设定液膜厚度

2.1）调节探针Ⅰ6和探针Ⅱ11高度一致并使螺旋测微器Ⅰ7和螺旋测微器Ⅱ10示数一致。

2.2）关闭储液槽控制阀、电磁阀电源，打开万用表使用COM以及mA两个接线孔，量程选择2mA，往下微调螺旋测微器Ⅰ7，使得探针Ⅰ6缓慢接近工作电极表面，当万用表读数发生变化时，停止微调，往上驱动螺旋测微器Ⅰ7至距离工作电极表面一定高度，该高度即为所需膜厚，关闭万用表；同时再次调节螺旋测微器Ⅱ10示数与螺旋测微器Ⅰ7示数一致；从而完成液膜厚度设定。

3）正式测量和液位高度自动补充

液膜厚度设定完成，即可进行液面补充。此时打开储液槽控制阀17及电磁阀电源，由于刚开始时液面较浅，探针Ⅱ11未与液面接触，电磁阀12所在回路处于断路状态，而电磁阀12为常开式，故电磁阀12打开，储液槽13中的液体经电磁阀12控制流速后流入电解槽2中，当电解槽2液面上升至与探针Ⅱ11接触时，由于两探针高度完全相同，此时的液膜厚度即为所需的膜厚，同时电磁阀12、螺旋测微器Ⅱ10及铂电极16形成通路，此时电磁阀12关闭，停止进液。

一旦使用过程中电解槽2中液膜厚度降低，使探针Ⅱ11脱离液面，电磁阀12将再次打开向电解槽2中补充液体，直到电解槽2液面上升至与探针Ⅱ11接触再关闭，从而自动控制液膜厚度稳定。

此时即可通过电化学腐蚀测量系统测量试件的腐蚀电化学数据，用以研究薄液膜条件下试件的电化学腐蚀行为。

电化学测量系统测量的腐蚀电化学数据包括电位-时间曲线、极化曲线、交流阻抗电化学噪声等。这些数据可进一步分析工作试样的电化学腐蚀趋向、腐蚀速度以及腐蚀速度与膜厚的关系，系统研究金属材料在薄液膜条件下的腐蚀机理，丰富和发展腐蚀电化学理论，为减少金属的薄液膜腐蚀提供更准确、更可靠的依据；开发有效防护措施，提高装备与器械的耐大气腐蚀能力，延长使用寿命。

实施例中，所述辅助电极5按如下方法制作形成，截取一定长度的Φ16mm的PVC管，将Φ0.25mm、纯度为99.9%的铂丝，缠绕于PVC管外壁距离端部0.5mm处，形成铂丝辅助电极，并将其竖直固定在电解槽中底面上。

所述工作电极3按如下方法制作形成，将直径为Φ10mm的圆柱体钢一底面焊接导线，用环氧树脂18将焊接导线的圆柱体钢底面与整个侧面封闭于Φ15mm的PVC管19中，仅露出作为工作电极的另一端面，封样后形成圆柱形试件。再将圆柱形试件固定在前面加工好的辅助电极直径为Φ16mm的PVC管件中，工作电极表面与辅助电极PVC管件端口保持同一平面。即辅助电极5距离工作电极3所在平面下方0.5mm处，这样可以减小电压降以及其它影响因素。辅助电极和工作电极的相互位置关系见图2。

本例中参比电极4为饱和甘汞电极；饱和甘汞电极为常用电化学腐蚀试验参比电极，其性能可靠、电位稳定、干扰小。参比电极和辅助电极的使用保证本试验装置测出的电化学腐蚀数据结果更准确、可靠。

所述工作电极表面放置微小水平泡，通过调节电解槽的底座使工作电极表面水平。

安装微小水平泡，可随时调整装置获得水平，确保试样表面的薄液膜厚度均匀，使得同一液膜厚度下的金属腐蚀试验得以进行。

探针为Φ5mm、尖端为球形的铬锆铜；为了提高液面控制的精确性，两探针的球头表面进行化学刻蚀处理，以制备疏水性探针球头表面，减小由于吸附作用造成液面与探针不能及时分离造成的误差。选用精度0.001mm的高精度螺旋测微器，保证膜厚为几个微米时的准确性，降低误差，确保膜厚的准确性，使得金属在不同膜厚下的腐蚀试验得以进行。

电磁阀12选用常开型电磁阀，主要为聚四氟乙烯材质，通径1mm，压力0.2Mpa，手动调节其最低流速约为2m/min，使电解槽内液膜厚度增加3μm所用时间为2s左右。选用常开型微型可调节流量电磁阀，当液面降低与探针断开时，回路电流中断，电磁阀打开，开始进液，由于膜厚为微米级，阀门通径选用1mm，确保液膜以微米级速度增加，从而精确保持液膜厚度的准确性。

本例所述电化学工作站的恒电位范围为-10 V - +10V，电流密度-时间的最小采样间隔为1μs，交流阻抗测量频率为0.00001至1MHz，电位扫描速度范围为0.000001V/s至10,000V/s。该工作站测量范围宽、分辨率高、性能稳定，可保证本试验装置测出的电化学腐蚀数据结果更准确、可靠。

本方法能自动、方便、准确地控制并保持薄液膜处于某一厚度，膜厚控制范围宽，实现薄液膜厚度下金属腐蚀的电化学相关数据采集工作，从而更真实准确地测出在不同膜厚下金属的腐蚀机理，且其自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

采用以上试验方法进行的具体试验的结果如下：

试验工作电极为Φ10mm的圆柱体4130钢，采用本发明所述方法进行封样，封样后外观尺寸为Φ15×25mm，试验介质为浓度为25%的醋酸钾型道面除冰液，温度25±0.5℃。将工作电极安装在电解槽中心位置，调节工作电极表面水平，调节两探针高度和螺旋测微器示数一致。先关闭储液槽控制阀、电磁阀电源，打开万用表使用COM以及VΩ两个接线孔，量程选择200M，往下微调螺旋测微器Ⅰ，使得探针Ⅰ缓慢接近工作电极表面，当万用表读数发生变化时，表明探针Ⅰ接触到工作电极表面，停止微调，往上驱动螺旋测微器Ⅰ至所需膜厚处，螺旋测微器Ⅰ往上移动的高度即为膜厚，因此通过改变螺旋测微器Ⅰ往上移动的高度，即可改变膜厚，从而实现不同膜厚下的试验测量。关闭万用表，同时调节螺旋测微器Ⅱ示数与螺旋测微器Ⅰ示数再次一致，此时两探针下端高度完全一致。打开控制阀（出液口止水夹）及电磁阀电源，由于探针Ⅱ未与液面接触，电磁阀处于断路状态，电磁阀阀门打开，液体经电磁阀控制流速后流入电解槽中，实现对液面的补充。当电解槽液面上升至与探针ⅠⅡ接触时，此时的液膜厚度即为所需的膜厚，电磁阀、螺旋测微器Ⅱ及铂电极形成通路，电磁阀阀门关闭，停止进液。一旦膜厚不够，即液面高度下降，探针Ⅱ便与液面脱离，电磁阀处于断路状态，电磁阀阀门将自动打开，向电解槽中补充液体，直到探针Ⅱ与液面接触。在整个测量过程中，如此反复，由此保持膜厚稳定。

电化学测试主要参数为：开路电位E测试时间1800s，交流阻抗测量频率为0.00001至1MHz，极化曲线极化电位：E±0.5V，扫描速为0.001V/s，选择自动灵敏度。

图3为利用该自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验装置调节下测得不同薄液膜厚度下的开路电位。从图3可以得到：随着液膜厚度增大，4130钢在25%醋酸钾型除冰液薄液膜覆盖下的开路电位负移明显，初步可判断随着液膜厚度增加，腐蚀速度加快。图4为4130钢该体系下交流阻抗随液膜厚度的变化关系。根据图4可得，随着液膜厚度增加，腐蚀速度增大，与图3结果一致。说明该自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验装置和方法能够有效用于对薄液膜厚度的控制。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，例如样品的长宽高等值的变化可根据个人需要而做改变。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，其特征在于：本试验方法基于如下试验装置而进行，该试验装置包括铁架台（1），铁架台（1）上放置电解槽（2），在铁架台（1）上方的水平横梁（9）上设有螺旋测微器Ⅰ（7）和螺旋测微器Ⅱ（10），螺旋测微器Ⅰ（7）和螺旋测微器Ⅱ（10）底部对应设有探针Ⅰ（6）和探针Ⅱ（11），探针Ⅰ（6）和探针Ⅱ（11）悬置于电解槽（2）上方；一储液槽（13）通过带控制阀（17）的水管与电磁阀（12）进液口连接，电磁阀（12）出液口通过水管与电解槽（2）连接，储液槽（13）通过电磁阀（12）给电解槽（2）补充液位；电磁阀为常开式且流量可调；

试验步骤如下：

1）试验前，先进行线路连接

1.1）将试件固定于电解槽（2）溶液中形成工作电极（3），同时将辅助电极（5）与参比电极（4）浸入电解槽（2）中的溶液中，使参比电极（4）距工作电极（3）表面1-3mm；辅助电极（5）、参比电极（4）、工作电极（3）分别通过导线与微机控制的电化学工作站（14）的相应端口连接，形成电化学腐蚀测量系统；

1.2）将万用表（8）连接于螺旋测微器Ⅰ（7）和工作电极（3）所在回路中；

1.3）在电解槽（2）溶液中浸入铂电极（16），螺旋测微器Ⅱ（10）、铂电极（16）分别经导线与电磁阀（12）的接线口连接，以使三者形成回路；

2）再设定液膜厚度

2.1）调节探针Ⅰ（6）和探针Ⅱ（11）高度一致并使螺旋测微器Ⅰ（7）和螺旋测微器Ⅱ（10）示数一致；

2.2）关闭储液槽控制阀、电磁阀电源，打开万用表使用COM以及VΩ两个接线孔，量程选择200M，往下微调螺旋测微器Ⅰ，使得探针Ⅰ缓慢接近工作电极表面，当万用表读数发生变化时，停止微调，往上驱动螺旋测微器Ⅰ至距离工作电极表面一定高度，该高度即为所需膜厚，关闭万用表；同时再次调节螺旋测微器Ⅱ示数与螺旋测微器Ⅰ示数一致；从而完成液膜厚度设定；

3）正式测量和液位高度自动补充

打开储液槽控制阀（17）及电磁阀电源，此时探针Ⅱ（11）未与液面接触，电磁阀所在回路处于断路状态，由于电磁阀为常开式，电磁阀打开，储液槽（13）中的液体经电磁阀控制流速后流入电解槽中，当电解槽液面上升至与探针Ⅱ（11）接触时，此时的液膜厚度即为所需的膜厚，同时电磁阀、螺旋测微器Ⅱ（10）及铂电极形成通路，此时电磁阀关闭，停止进液；

一旦电解槽中液膜厚度降低使探针Ⅱ（11）脱离液面，电磁阀将打开向电解槽中补充液体直到电解槽液面上升至与探针Ⅱ（11）接触，从而自动控制液膜厚度稳定；

此时即可通过电化学腐蚀测量系统测量试件的腐蚀电化学数据，用以研究薄液膜条件下试件的电化学腐蚀行为。

2.根据权利要求1所述的可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，其特征在于：所述辅助电极按如下方法制作形成，截取一定长度的Φ16mm的PVC管，将Φ0.25mm、纯度为99.9%的铂丝，缠绕于PVC管外壁距离端部0.5mm处，形成铂丝辅助电极，并将其竖直固定在电解槽中底面上。

3.根据权利要求2所述的可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，其特征在于：所述工作电极按如下方法制作形成，对直径为Φ10mm的圆柱体钢一底面焊接导线，用环氧树脂将焊接导线的圆柱体钢底面与整个侧面封闭于Φ15mm的PVC管中，仅露出作为工作电极的另一端面，封样后形成圆柱形试件；再将圆柱形试件固定在辅助电极直径为Φ16mm的PVC管件中，工作电极表面与辅助电极PVC管件端口保持同一平面。

4.根据权利要求3所述的可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，其特征在于：所述工作电极表面放置微小水平泡，通过调节电解槽的底座上的三个呈三角分布的调平支座高度使工作电极表面水平。

5.根据权利要求1所述的可自动控制液膜厚度的薄液膜腐蚀试验方法，其特征在于：所述探针的球头表面进行化学刻蚀处理，以制备疏水性探针球头表面，减小球头表面对溶液的吸附作用。