CN105463474B

CN105463474B - 一种自驱动金属腐蚀防护方法和系统

Info

Publication number: CN105463474B
Application number: CN201410407433.9A
Authority: CN
Inventors: 郭文熹; 潘曹峰; 李潇逸; 陈梦晓; 王中林; 林昌健
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2034-08-18
Also published as: CN105463474A

Abstract

本发明提供一种自驱动金属腐蚀防护方法和系统，该方法通过发电部件将自然界中的机械能和/太阳能转变为电信号，若所述电信为交流电信号，将所述电信号转变为直流电信号后，将所述电信号施加在置于腐蚀介质中的金属和对电极上，其中，所述金属的电位低于所述对电极的电位。本发明提供的方法是一种自驱动的金属阴极防护方法，克服了传统的阴极保护技术中存在的需要外电源或者需要更换牺牲阳极的问题，为广泛存在的金属腐蚀问题提供了一种成本低廉、稳定、可广泛应用于不同腐蚀体系的阴极保护技术。

Description

一种自驱动金属腐蚀防护方法和系统

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护领域，特别涉及将环境中存在的各种能源转变为电能的自驱动金属腐蚀防护方法和系统。

背景技术

金属材料腐蚀问题遍及国民经济的各个领域，同时其危害也遍及所有的行业，包括冶金，化工，能源，交通，机械，航空航天，基础设施等。因此，研究金属材料的腐蚀与防护，特别是防腐新技术对我国国民经济的发展具有十分重要的意义。根据金属材料的腐蚀机理，可知金属材料的腐蚀损伤离不开金属材料和环境(气，液，固等介质)以及它们之间的界面反应，因此为了提高材料的耐蚀性可从形成保护层，改善腐蚀环境与电化学保护等三个方面入手。其中电化学保护法也称阴极保护法，即通过向金属注入电子，使金属成为腐蚀电极中的阴极，阻止或者减轻金属发生自腐蚀。目前，阴极保护主要包括牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护。牺牲阳极法虽然一次性投入的费用低，且保护的过程中不会产生过保护，但是保护范围较小，且比较容易受到外界环境的干扰，并且需要定时更换阳极材料。强制电流阴极保护法虽然能够在较大范围内对金属进行保护，但是离不开外界电源的供电，成本较高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明涉及的自驱动金属腐蚀防护方法，将环境中普遍存在的机械能或者太阳能转变为电能，对金属进行阴极保护，所产生的电能为阴极金属保护系统注入电流，可以解决传统阴极保护无法离开外电源或者需要更换牺牲阳极的问题。

(二)技术方案

本发明将环境中普遍存在的各种形式的机械能，如风能、潮汐、海浪等，转化为电能，或者将太阳能转化为电能，通过将交流电信号进行转化为直流电信号之后与需要进行保护的金属相连，将电子注入到金属例如钢材中，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，从而使被保护金属的极化电位低于周围环境，致使氧化反应过电位减小，反应速度减小，最终使得腐蚀速度减小。

本发明提供一种自驱动金属腐蚀防护方法，包括步骤：

提供发电部件，所述发电部件在机械能和/或太阳能作用下产生电信号；

若所述电信号为交流电信号，将所述电信号转变为直流电信号；

将所述电信号施加在置于腐蚀介质中的金属和对电极上，其中，所述金属的电位低于所述对电极的电位。

优选的，将所述发电部件产生的电信号通过整流元件转变为直流电信号；

或者，将所述发电部件产生的电信号存储在储能元件中，通过所述储能元件输出直流电信号。

优选的，将所述金属和对电极置于同一腐蚀介质中。

优选的，将所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质之间通过盐桥进行连接。

优选的，所述两个独立的腐蚀介质成分相同或者不相同。

优选的，还包括增大所述金属和对电极间电阻的步骤，具体为：

将所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质成分相同，所述两个独立的腐蚀介质之间通过充满腐蚀介质的毛细管进行连接。

优选的，所述毛细管的长度范围为0.5米-2米；所述毛细管的直径范围为0.3毫米-1毫米。

优选的，还包括步骤：测量所述金属的阴极极化电位，所述阴极极化电位为所述金属与参比电极之间的电位，其中，所述参比电极与所述对电极置于同一腐蚀介质中。

优选的，如果采用饱和甘汞电极作为参比电极，所述阴极极化电位范围为-120mV到-5.32V；如果采用其它参比电极，根据两种参比电极对应的参比电位差值确定所述阴极极化电位范围。

优选的，所述发电部件包括摩擦发电机、压电式发电机和/或太阳能电池，其中：

所述摩擦发电机，包括两种不同摩擦电序的摩擦材料，其相互接触摩擦时表面带有等量异号电荷，在所述机械能的作用下两个所述摩擦材料互相滑动错位使接触面积发生变化，或者互相接触分离，使与两种所述摩擦材料分别接触设置的电极之间产生电势差；两个所述摩擦材料在所述机械能作用下发生往复摩擦运动或者接触分离运动时，在两个电极之间形成交流电信号；

或者，所述摩擦发电机，包括两种不同摩擦电序的摩擦材料，其相互接触摩擦时表面带有等量异号电荷，在所述机械能的作用下两个所述摩擦材料互相滑动错位使接触面积发生变化，或者互相接触分离，使与所述摩擦材料接触设置的电极与等电位之间产生电势差；两个所述摩擦材料在外力作用下发生往复摩擦运动或者接触分离运动时，在所述电极和等电位之间形成交流电信号；

所述压电式发电机，包括从上至下层叠紧密接触的顶电极、介质层、压电材料层和底电极，其中，所述压电材料层采用的压电材料为具有压电性质的材料。

优选的，所述摩擦发电机的输出电量值不小于0.4mC/min。

优选的，所述阴极极化电位范围为-500mV至-1.2V。

相应的，本发明还提供一种自驱动金属腐蚀防护系统，包括：发电部件、与所述发电部件连接的电流转换单元和对电极，其中，

所述电流转换单元的输出端正极连接所述对电极，负极连接需要防护的金属；其中，所述发电部件用于吸收机械能或者太阳能产生电信号；所述电流转换单元用于将所发电部件产生的交流电信号转变为直流电信号；对电极置于腐蚀介质中，用于与需要防护的金属形成回路。

优选的，所述电流转换单元为整流元件或者储能元件。

优选的，所述摩擦发电机为转动式摩擦发电机，包括两个相互转动的部件，两个部件均为相同的周期扇区的转盘结构，每个部件均为摩擦材料层与电极材料层层叠形成，两个部件围绕转动中心互相转动时，两种摩擦材料能够在完全重合与完全分离之间变化，在与两个摩擦材料相互接触设置的电极上有交流电信号输出。

优选的，所述对电极与需要保护的金属置于同一腐蚀介质中。

优选的，所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质之间通过盐桥进行连接。

优选的，所述两个独立的腐蚀介质成分相同或者不相同。

优选的，所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质成分相同，还包括电阻调整单元，所述电阻调整单元为将两个独立的腐蚀介质连通的结构。

优选的，所述电阻调整单元为充满所述腐蚀介质的毛细管。

优选的，所述毛细管的长度范围为0.5-2米；所述毛细管的直径范围为0.3-1毫米。

优选的，还包括参比电极，所述参比电极与所述对电极置于同一腐蚀介质中；所述参比电极用于测量参比电极与需要防护金属之间的电位。

(三)有益效果

本发明提出的自驱动金属腐蚀防护方法和系统具有下列优点：

1、能够利用环境中普遍存在的风能、海浪、人类活动、轮胎转动等机械能，以及太阳能，产生电能，为金属提供阴极保护的电源。克服传统阴极保护需要外电源或者牺牲阳极的缺点，在能源重复利用的同时进行有效的阴极保护，特别适用于海洋，孤岛，偏远地区等无法通过外电源供电的地区。

2、本发明中采用的摩擦发电机、压电式发电机，各部分的材料可选范围宽，制备工艺简单，整个器件的制造工艺不需要昂贵的原材料和先进的制造设备，可以克服传统阴极保护技术成本较高的问题，有利于大规模工业生产和实际应用。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为基于摩擦发电机的金属腐蚀防护方法的流程示意图；

图2为滑动式摩擦发动机的结构示意图；

图3为单电极式摩擦发电机的结构示意图；

图4为压电式发电机的结构示意图；

图5为滑动式摩擦发电机的摩擦材料为周期扇区的结构示意图；

图6为基于摩擦发电机的金属腐蚀防护系统一个实施例的示意图；

图7为摩擦发电机的转速100rpm条件下403不锈钢的开路电位随时间的变化曲线；

图8为摩擦发电机不同转速下403不锈钢的开路电位曲线；

图9为在摩擦发电机不同转速下输出电量和403不锈钢阴极极化电位的关系图；

图10为403不锈钢的开路电位随着腐蚀介质电阻大小的关系曲线图；

图11为基于摩擦发电机的金属腐蚀防护系统一个实施例的示意图；

图12为Q235碳钢在阴极保护和自然腐蚀的挂片腐蚀测试后的表面形貌的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

本实施例涉及的自驱动金属腐蚀防护方法，流程图参见图1，包括：

步骤S1，提供发电部件，所述发电部件在机械能和/或太阳能作用下产生电信号。

本实施例的金属腐蚀防护方法，可以采用发电部件将环境中普遍存在的风能、潮汐、海浪等机械能或者太阳能转化为电能。

本发明中的发电部件，可以包括利用摩擦发电和静电感应耦合的摩擦发电机。典型的摩擦发电机有滑动摩擦式和接触分离式两种，这里以滑动式摩擦发电机为例说明摩擦发电机在金属腐蚀防护中的应用。

摩擦发电机的典型结构参见图2，两种不同摩擦电序的摩擦材料10和20，它们保持电荷的能力有差异，其相互接触摩擦时表面带有等量异号电荷，在外力(机械能)的作用下两个摩擦材料10和20互相滑动错位使接触面积发生变化时，会造成与两种摩擦材料分别接触设置的电极11和21之间产生电势差，进而驱动外电路电子在两个电极11和21之间流动。两个摩擦材料10和20在机械能作用下发生往复摩擦运动时，在两个电极11和21之间形成交流电信号。

本发明中所述的“摩擦电序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电序中极性较正的材料表面转移至摩擦电序中极性较负的材料表面。在两种摩擦电序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷称为“接触电荷”。

两种摩擦材料只要具有不同的保持电荷能力即可，可以为绝缘体、半导体和导体材料，优选的一种为有机物绝缘体材料，另一种为导体材料，例如聚酰亚胺(Kapton)和铝箔。在摩擦材料为导体材料时，可以省略与其接触设置的电极。

对于接触分离式摩擦发电机，两种摩擦材料在外力作用下互相接触分离，在两个电极之间形成交流电信号输出，其发电原理与滑动式摩擦发电机相同。

上述的滑动摩擦式和接触分离式摩擦发电机均为双电极摩擦发电机，在两个电极之间输出电信号，实际中，无论是滑动摩擦式还是接触分离式摩擦发电机，还可以采用单电极摩擦发电机。以滑动摩擦的单电极摩擦发电机为例，参见图3，两种不同摩擦电序的摩擦材料10和20，它们保持电荷的能力有差异，摩擦材料10接触设置的电极11与等电位例如地电位连接，两种摩擦材料10和20相互接触摩擦时表面带有等量异号电荷，在外力(机械能)的作用下两个摩擦材料10和20互相滑动错位使接触面积发生变化时，会造成与摩擦材料10接触设置的电极11与地电位之间产生电势差，进而驱动电子在电极11和地电位之间流动。两个摩擦材料10和20在外力作用下发生往复摩擦运动时，在电极11和地电位之间形成交流电信号。地电位是等电位的一个特例，在其他实施例中，电极11也可以连接在等电位电路或者金属上，只要在静电作用下能够使电子在等电位与电极11之间流动即可。

对于接触分离式的单电极摩擦发电机，两种摩擦材料在外力作用下互相接触分离，与一个摩擦材料接触设置的电极和等电位如地电位之间形成电流电信号输出，其发电原理与滑动式单电极摩擦发电机相同。

实际在金属腐蚀防护过程中，具体选择哪种相对运动形式的摩擦发电机，以及选择单电极或者两个电极的摩擦发电机，可以根据实际的使用环境和机械外力的形式来确定，采用各种形式的摩擦发电机均包括在本发明的保护范围内。

基于上述各种形式的摩擦发电机，可以通过结构的设计，获取自然界中各种形式的机械能，例如人体运动的能量，海洋的潮汐能，波浪波动时产生的能量，风能等，将这些能源储存在电容或者电池中，用于金属的腐蚀防护，不需要为金属的腐蚀防护再额外提供电源。

另外，所述发电部件也可以包括压电式发电机，其典型结构参见图4，包括从上至下层叠紧密接触的顶电极31、介质层32、压电材料层33和底电极34。顶电极31和底电极34优选为薄膜材料，可以选择常规的电极材料，例如可以选自金属、导电氧化物和导电高分子。金属可以选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金。介质层32的材料可以为聚合物，如PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、PI(聚亚酰胺)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PS(聚苯乙烯)等。压电材料层33的材料可以为任何压电薄膜或压电纳米结构材料，例如：ZnO、Pb(Zr,Ti)O₃、BaTiO₃ CdS、InN、InGaN、ZnSnO₃或GaN等的薄膜、纳米线或纳米棒等，优选为ZnO、GaN等纤锌矿结构压电材料的纳米线，压电材料层33更优选为ZnO纳米线阵列，所述纳米线的两端分别与介质层32和底电极34连接。顶电极31和底电极34之间可以连接整流元件等负载。以压电材料层33采用ZnO纳米线为例，当有机械能施加在其上时，例如重物放置在顶电极31上时，ZnO纳米线会产生形变，在ZnO纳米线两端产生压电电势，该电势可驱动电子流过负载电路，从而驱动负载工作。

在其他实施例中，发电部件也可以包括太阳能电池，现有的所有太阳能电池均可以，能够将太阳能转变为电能，为金属腐蚀防护提供电源。

发电部件中并不限定仅包括上述摩擦发电机、压电发电机和太阳能电池中的一种，可以为摩擦发电机、压电发电机和太阳能电池的复合结构发电部件，例如将太阳能电池结合在摩擦发电机或者压电发电机上形成共用电极的复合发电结构，或者摩擦发电机和压电发电机互相结合形成复合发电结构。

选择哪种结构的发电部件，不应限制本发明的保护范围，只要能将机械能和/或太阳能转变为电能，均在本发明的保护范围内。

步骤S2，若所述电信为交流电信号，将所述电信号转变为直流电信号。

发电部件产生的电信号为交流电信号时，需要将该交流电信号转变为直流电信号。发电部件产生的电信号为直流电信号时，可以直接将该电信号需要阴极保护的金属上。

以摩擦发电机产生的电信号为例，说明将交流电信号转变为直流电信号的方法。可以在摩擦发电机的两个电极之间连接整流桥等整流元件，将上述的交流电信号整流为直流电信号。

摩擦发电机产生的交流电信号转变为直流信号还可以通过下列方式实现：将摩擦发电机产生的交流电信号存储在离子电池等储能元件中，储能元件输出直流电信号。

步骤S3，将所述电信号施加在置于腐蚀介质中的上述金属和对电极上，其中，所述金属的电位低于所述对电极的电位。

该步骤中利用发电部件产生的电信号，将金属连接在电信号的负极，对电极连接在直流电信号的正极，在腐蚀介质中形成电流回路，使所述金属的电位低于所述对电极的电位，将电子注入到金属中，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，从而使被保护金属的极化电位低于周围环境，致使氧化反应过电位减小，反应速度减小，最终使得金属的腐蚀速度减小，达到金属的阴极保护目的。

所述金属和对电极可以置于同一腐蚀介质中，也可以置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质可以成分相同也可以不相同，两个独立的腐蚀介质之间可以通过盐桥进行连接。

本实施例提供的金属腐蚀防护方法，不仅能够让传统的阴极保护技术摆脱外电源的束缚和免去更换牺牲阳极的难题，利用了环境中普遍存在的机械能、太阳能等将其转变为电能，大大降低了阴极保护的成本。

实施例二：

本实施例中提供一种转动式摩擦发电机来说明摩擦发电机的输出功率对金属腐蚀防护电位的影响。

图5中的a-c为本实施例的转动式摩擦发电机的结构示意图，包括两个相互转动的部件，两个部件均为相同的周期扇区的转盘结构，两个部件均为相同的周期扇区的转盘结构，每个部件均为摩擦材料层与电极材料层层叠形成，两个部件围绕转动中心互相转动时，两种摩擦材料能够在完全重合与完全分离之间变化，在与两个摩擦材料相互接触设置的电极上有交流电信号输出。如图5中的a和b，所谓“周期扇区”是指在转盘上绕转动中心分布的多个大小相同且间隔相等的扇形区域。第一部件包括四个周期扇区，每个扇区均为摩擦材料Kapton薄膜和Cu电极层的叠层结构，第二部件同样包括四个周期扇区，每个扇区均为铝箔，同时作为摩擦材料和电极材料。为了提高两个旋转部件的强度，可以采用亚克力(PMMA)板为两个部件的基底，切割分成相应形状的周期扇区，将铝箔帖附在一个亚克力板上，将带有Cu电极层的Kapton薄膜的背面帖附在另一个亚克力板上，将两个亚克力板(或者摩擦材料)的转动中心重合，参见图5中的c，铝箔与Kapton薄膜面对面设置，两个部件围绕转动中心互相转动时，使Kapton薄膜和铝箔表面互相接触摩擦，两种摩擦材料能够在完全重合与完全分离之间变化。将铝箔与Cu电极层之间连接整流桥。该实施例中，将图2所示的摩擦发电机的两个摩擦材料进行了结构化的设计，使两个摩擦材料均为周期扇区结构。

组装摩擦发电机前，可以先利用等离子体刻蚀Kapton薄膜的方法在其表面构筑一层Kapton纳米线阵列增加表面粗糙度。在发电机工作时，将两个圆盘状部件固定，两个部件在外力的驱动下相对于转动。由于Kapton与铝箔对电荷的吸引程度不同，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电序中极性较正的材料表面转移至摩擦电序中极性较负的材料表面。在外力的作用下，当两个部件分离错位时，由于表面电荷的分离导致形成电势差，此时第二部件的电位高于第一部件，在外电路接通的情况下，电子将会从第一部件流向第二部件，产生一个从铝箔(电极层)到Cu电极层的电流脉冲信号，此过程持续到两个部件完全分离，当两个部件完全分离时，两导电层没有电势差从而无电子流动。

第二部件在外力作用下继续运动，则两部件从完全分离状态慢慢恢复重合状态，此过程刚好与两部件从重合到分离的状态相反，两部件的电势差将会随着重合面积的增加而逐渐地减小，产生一个相反方向的电流脉冲，因此整个过程将会产生一个完整的交流脉冲信号，当两个部件周期性地相对转动时，将产生相应频率的交流电信号。

图6是应用本实施例的金属腐蚀防护方法的腐蚀防护系统的结构示意图，包括，发电部件1，与发电部件1连接的电流转换单元2，电流转换单元2的输出端正极连接对电极3，负极连接需要防护的金属4。其中，发电部件1用于吸收机械外力或者太阳能产生电信号，电流转换单元2用于将发电部件1产生的交流电信号转变为直流电信号，对电极3置于腐蚀介质中，用于与需要防护的金属4形成回路。为了测量金属阴极极化电位，该系统中还可以包括参比电极，形成一个金属、对电极和参比电极的三电极体系。

所述电流转换单元2为可以将交流电信号转变为直流电信号的元件，可以为整流元件，例如整流桥等；也可以为储能元件，例如锂离子电池等。

发电部件可以采用上述摩擦发电机、压电式发电机和/或太阳能电池。以发电部件采用摩擦发电机为例，摩擦发电机采用上述的两个部件相互转动的发电机，转速由电动马达驱动，转速计用来记录旋转速度。第二部件的圆盘固定不动，第一部件与第二部件共轴相对紧挨，由马达带动而旋转，从而和第二部件产生转动摩擦。摩擦发电机1的输出电流通过整流桥进行整流，使其电流输出为直流，403不锈钢片作为被保护的金属，含有NaCl的水溶液作为模拟海水的腐蚀溶液，整个电化学腐蚀与测试采用三电极体系，403不锈钢为工作电极，铂片电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极。参比电极与对电极置于同一个腐蚀溶液中，与工作电极之间通过盐桥连接，通过测量所述金属的阴极极化电位，可以获得金属腐蚀过程中的电化学状态，所述阴极极化电位为所述金属与参比电极之间的电位。在转动马达的带动下，摩擦发电机开始工作，403不锈钢接在整流桥输出端的负极，静电计和电化学工作站实时记录体系的输出功率和不锈钢电极的阴极极化电位。

参比电极可以为银-氯化银、饱和甘汞电极等常用的电化学参比电极，不同的参比电极，具有不同的参比电位。

为了检验本发明的方法，对403不锈钢在进行测试时，需要通过砂纸进行打磨以及进一步的抛光处理。具体过程为：将不锈钢分别用400、600、800、1000和1200目的砂纸进行逐级抛光，每次抛光完后用去离子水进行超声清洗。接着，用0.3目的Al₂O₃抛光粉进行抛光，最后，将抛光过后的不锈钢分别置入无水乙醇，去离子水，丙酮中超声清洗待用。

本实施例中，马达驱动摩擦发电机转动的速度分别设置为100、250、500、750和1000rpm。

403不锈钢的阴极极化电位测试前，需要将不锈钢与整流桥输出端的负极相连，然后置入模拟腐蚀液中形成腐蚀体系，其阴极极化电位稳定至电位变化趋势小于20mV/h后开始测试。图7为摩擦发电机1在100rpm转速条件下腐蚀体系的阴极极化电位随时间的变化图，从图中可以看出，当摩擦发电机开始工作时，阴极极化电位迅速下降，经过将近5分钟后从-63mV下降到-320mV，表明电子注入403不锈钢表面，导致403不锈钢电极极化，电位负移。在转速保持不变的情况下，403不锈钢的阴极极化电位能够继续保持负移。当发电机的转速降为零时，403不锈钢的阴极极化电位上升，上升速率较下降速率来的慢，经过5分钟左右的时间，电位上升至-109mV，低于最初的稳定电位(-63mV)，表明403不锈钢电极表面极化后，在不通电的情况下还具有一定的腐蚀防护能力。紧接着，重复以上过程，不断开启和切断转动马达，电位变化曲线如图6所示，可以看出，摩擦发电机1与403不锈钢的阴极保护体系在腐蚀防护上具有很好的重现性。

图8显示了摩擦发电机输出功率与403不锈钢阴极极化电位的关系，从图中可以明显地看出，将转动马达的转速从100rpm逐级增加至1000rpm，不锈钢的阴极极化电位从-330mV下降至-440mV(参比电极为饱和甘汞电极)，表明发电机的输出功率的增加能够增加阴极保护电流，致使电极产生进一步极化，电位进一步负移。

图9为输出电量和阴极极化电位的关系图，403不锈钢的阴极极化电位达到-350mV左右时候，开始有比较明显的保护，此时，摩擦发电机转速需要大于250rpm，摩擦发电机的输出电量值不小于0.4mC/min。

实施例三

本实施例提供一种通过改变腐蚀介质内阻的方法来改变腐蚀体系的阴极极化电位，进而达到改善金属腐蚀防护的目的。

步骤S3将所述电信号施加在置于腐蚀介质中的上述金属和对电极上，具体为：将所述金属与对电极分别置于分隔开的两个腐蚀介质中，其中所述两个腐蚀介质相同，并且两个腐蚀介质之间通过注满腐蚀介质的毛细管连接。毛细管的长度在0.5米以上，优选为0.5米-2米，毛细管的直径范围为0.3毫米-1毫米。

仍然以403不锈钢的腐蚀防护为例，说明本实施例的金属腐蚀防护方法。为了进一步增大403不锈钢极化电位的绝对值，特通过增加腐蚀介质(腐蚀溶液)电阻的方式来调节403不锈钢与铂电极(对电极)之间的分压，具体实施步骤如下：

1.将403不锈钢工作电极与铂电极(对电极)分别置于两个相同的电解池中，中间用一根注满腐蚀溶液的塑料毛细管连接，在本实施例中，毛细管的直径为0.5mm，毛细管的使用可大大增加工作电极与对电极之间的电阻，从而提高403不锈钢的极化电压，降低403不锈钢的阴极极化电位。

2.403不锈钢的前期处理以及所使用的腐蚀介质与实施例一保持一致，转动马达转速固定在250rpm，通过改变毛细管的长度，腐蚀介质电阻从3000欧调节至9.39M欧，从图10可以看出，随着溶液内租的增加，阴极极化电位不断负移，调节范围可从-120mV到-5.32V，几乎可以满足绝大多数金属在大多数腐蚀环境下所需要的阴极极化电压。上述阴极极化电位范围是采用饱和甘汞电极作为参比电极的范围，如果采用其他参比电极，所述阴极极化电位范围可以根据两种参比电极对应的参比电位差值确定。

实施例四

相应与实施例三，本实施例提供一种自驱动金属腐蚀防护系统，参见图11所示的结构示意图，包括发电部件1、与发电部件1连接的电流转换单元2、电流转换单元2的正极输出端连接的对电极3，以及电阻调整单元5。其中，电流转换单元2的负极输出端连接需要防护的金属4，金属4与对电极3分别置于分隔开的两个独立的腐蚀介质中，其中所述两个腐蚀介质相同，并且两个腐蚀介质之间通过电阻调整单元5连接，电阻调整单元5为将两个独立的腐蚀介质连通的结构，优选为注满腐蚀介质的毛细管。其中，发电部件1、电流转换单元2和对电极3的作用与实施例二中的相同。其中，发电部件、电流转换单元、对电极等的结构和采用的材料可以与实施例二中均相同，这里不再复述。

优选的，电阻调整单元5使金属4的阴极极化电位在-120mV至-5.32V之间。

本发明提供的自驱动金属腐蚀防护方法和系统应用在河流或者海洋等液体环境中时，发电部件可以采用接触分离式摩擦发电机，进行密封后可以设置在浮标上，随着浮标的上下浮动，摩擦发电机的两个摩擦材料不会接触分离在两个电极层之间产生电信号。

另外，本发明提供的金属腐蚀防护系统和方法中，可以包括多个发电部件，多个发电部件的结构相同也可以不同，例如可以同时包括摩擦发电机和压电式摩擦发电机，用于吸收不同形式的机械能产生电能。每个摩擦发电机产生的交流电信号经过整流后，互相并联为需要保护的金属提供阴极保护。例如，将转动式滑动摩擦发电机和接触分离式摩擦发电机设置在行驶的轮船上，可以对海洋中的风能、轮船动能以及海水运动的能量进行实时的捕获和利用。

实施例五

本实施例中，利用本发明提供的金属腐蚀防护技术对Q235碳钢进行腐蚀分析，通过Q235碳钢的挂片失重测试，研究本发明的技术对Q235碳钢的阴极保护效果。为了实测摩擦发电机对于金属的实际腐蚀防护效果，本实施例中引入Q235碳钢作为被保护的对象，通过对比在有无摩擦发电机提供阴极保护情况下的金属腐蚀速率来验证摩擦发电机在腐蚀防护方面的作用。

为了缩短实验时间和取得更加明显的实验效果，本实施例中选择较容易被腐蚀的Q235碳钢作为研究对象。在测试前，选取直径约为1.1cm的圆柱形Q235钢块，侧面以及下端均由环氧树脂包封，下端面中心留一个小螺孔作为电极的接线柱，其余仅露出上表面，工作面积为0.95cm²。

测试时，以上述制备好的Q235碳钢为阴极，以铂电极为对电极，腐蚀介质为为0.5MNaCl腐蚀溶液，使用实施例二中的旋转式摩擦发电机作为保护电源，将无摩擦发电机连接的Q235直接置入腐蚀溶液中作为对比。

使用失重法作为腐蚀速率的测试方法，具体流程如下：将上述包封好的Q235碳钢用400目的砂纸逐级打磨至光亮，直至1500目，最后分别置入去离子水和无水乙醇中超声清洗，烘干后用分析天平(精度为0.1mg)称重。为了尽可能使自然腐蚀金属的腐蚀介质状态与施加阴极保护时的一致,仍然将铂电极置于腐蚀溶液中,并将两种试样对称放置在铂电极的周围，形成挂片体系，挂片体系为敞开静止体系。为了尽可能减小实验误差,自腐蚀挂片实验与阴极保护挂片实验在同一水浴中同时进行。阴极保护挂片测试时将Q235碳钢连接在与摩擦发电机连接的整流元件输出端的阴极，将转动马达的转速调至500rpm，在0.5M NaCl溶液中的挂片时间为1-5h。挂片实验结束后取出样品电极，先用橡皮用力擦电极表面以除去表面附着的腐蚀产物,然后用自来水清洗表面,再用蒸馏水、无水乙醇、丙酮清洗,干燥后用分析天平称重。

图12为Q235碳钢在有自然腐蚀和阴极保护挂片情况下的表面形貌图对比，从图中可明显地看出，一个小时过后，自然腐蚀条件下的样品表面已经出现了许多明显的红色腐蚀斑点，而阴极保护挂片无红色斑点出现。随着时间的增加，自然腐蚀样品表面的铁锈迅速增多，增厚，最后连成一片。而阴极保护挂片的表面始终只有一片绿色的印记，无红色锈蚀点出现。

本实施例根据实施例三的方法，改变腐蚀溶液内阻，综合比较了在阴极极化电位为-350mV和-850mV条件下的Q235碳钢的阴极保护度。通过失重法测试，发现其保护度分别达到36.4％和59.1％，当进一步提高阴极极化电位时，保护度并未增加，表明-650mV至-1.05V为较优的保护电位，-850mV为最佳的保护电位，可以有效的延缓Q235碳钢在氯离子溶液中的腐蚀。

本实施例提供的方法除了可以对上述Q235碳钢进行阴极防护外，也可以对其他金属进行腐蚀防护，对于大多数金属，阴极极化电位范围优选为-500mV至1.2V，可以有效的延缓金属在腐蚀介质溶液中的腐蚀速度。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种自驱动金属腐蚀防护方法，其特征在于，该方法包括步骤：

将所述电信号施加在置于腐蚀介质中的金属和对电极上，其中，所述金属的电位低于所述对电极的电位，

该方法还包括增大所述金属和对电极间电阻的步骤，具体为：将所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质成分相同，所述两个独立的腐蚀介质之间通过充满腐蚀介质的毛细管进行连接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述发电部件产生的电信号通过整流元件转变为直流电信号；

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述毛细管的长度范围为0.5米-2米；所述毛细管的直径范围为0.3毫米-1毫米。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：测量所述金属的阴极极化电位，所述阴极极化电位为所述金属与参比电极之间的电位，其中，所述参比电极与所述对电极置于同一腐蚀介质中。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，如果采用饱和甘汞电极作为参比电极，所述阴极极化电位范围为-120mV到-5.32V；如果采用其它参比电极，根据两种参比电极对应的参比电位差值确定所述阴极极化电位范围。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述发电部件包括摩擦发电机、压电式发电机和/或太阳能电池，其中：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述摩擦发电机的输出电量值不小于0.4mC/min。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述阴极极化电位范围为-500mV至-1.2V。

9.一种自驱动金属腐蚀防护系统，其特征在于，该系统包括：发电部件、与所述发电部件连接的电流转换单元和对电极，其中，

所述电流转换单元的输出端正极连接所述对电极，负极连接需要防护的金属；其中，所述发电部件用于吸收机械能或者太阳能产生电信号；所述电流转换单元用于将所发电部件产生的交流电信号转变为直流电信号；对电极置于腐蚀介质中，用于与需要防护的金属形成回路，

所述金属和对电极置于两个独立的腐蚀介质中，所述两个独立的腐蚀介质成分相同，还包括电阻调整单元，所述电阻调整单元为将两个独立的腐蚀介质连通的结构。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电流转换单元为整流元件或者储能元件。

11.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述发电部件包括摩擦发电机、压电式发电机和/或太阳能电池，其中：

12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述摩擦发电机为转动式摩擦发电机，包括两个相互转动的部件，两个部件均为相同的周期扇区的转盘结构，每个部件均为摩擦材料层与电极材料层层叠形成，两个部件围绕转动中心互相转动时，两种摩擦材料能够在完全重合与完全分离之间变化，在与两个摩擦材料相互接触设置的电极上有交流电信号输出。

13.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述电阻调整单元为充满所述腐蚀介质的毛细管。

14.如权利要求13所述的系统，其特征在于，所述毛细管的长度范围为0.5-2米；所述毛细管的直径范围为0.3-1毫米。

15.如权利要求9-14任一项所述的系统，其特征在于，还包括参比电极，所述参比电极与所述对电极置于同一腐蚀介质中；所述参比电极用于测量参比电极与需要防护金属之间的电位。