CN108645898B - 电化学性能测试装置及电化学性能测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电化学性能测试装置，其包括：用于盛装介质的气氛池、用于放置样品的样品台、包括用于收容介质的针筒腔体、针头和活塞的针筒、参比电极、辅助电极以及连接导线。针头包括针头管壁和针头腔体。其结构简单、成本低廉并且能够有效降低缝隙腐蚀的发生几率。本发明还提供一种电化学性能测试方法，其操作简便。且在该方法中，针筒腔体内的介质从针头被推出与样品表面的待测部位接触以形成液滴，处于针头管壁和样品表面之间的缝隙处的液滴外层区由于直接接触空气而氧浓度较高，而与针头腔体连通的液滴中心区氧浓度较低，使得缝隙处的氧浓度远高于缝隙腐蚀发生所需的条件，从而抑制该缝隙处的缝隙腐蚀、实验结果更加可靠。

Description

电化学性能测试装置及电化学性能测试方法

技术领域

本发明涉及电化学测量领域，尤其涉及一种电化学性能测试装置及电化学性能测试方法。

背景技术

金属以及合金材料在人们的日常使用过程中不可避免地会产生各种电化学现象，如电化学腐蚀。为了更好地使用这些材料，延长它们的实验寿命，人们需要研究其电化学性能。但在电化学性能研究中，缝隙腐蚀的发生常常会影响到对材料本身电化学性能的正确评价。一般而言，缝隙腐蚀的产生是因为样品在测试时存在缝隙，该处的氧浓度远远低于外界氧浓度，产生了自催化效应，使得缝隙内的溶液从中性变为酸性，导致阴离子(如氯离子)在缝隙内富集，腐蚀速率剧增。

而目前已知的测试装置中，一些装置较为简单，但是样品的准备比较复杂或者很容易产生缝隙腐蚀，影响实验结果，例如标准号为ASTM G5-14的设备；一些装置可以在一定程度上降低缝隙腐蚀产生几率，但是设备结构复杂、成本较高且操作复杂，例如标准号为ASTM G150-13的设备。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的一目的在于提供一种电化学性能测试装置，其结构简单、成本低廉并且能够有效降低缝隙腐蚀的发生几率。

本发明的另一目的在于提供一种电化学性能测试方法，其操作简便，能够避免操作过程受缝隙腐蚀影响，使得电化学性能测试实验的结果更加可靠。

为了实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种电化学性能测试装置，其包括：气氛池，气氛池包括密封接合的上盖体和下壳体，下壳体用于盛放介质；样品台，支撑于下壳体内，用于放置样品；针筒，内部具有用于收容所述介质的针筒腔体，针筒包括设置于下侧的针头和设置于上侧的活塞；针头包括针头管壁和由针头管壁包围形成的针头腔体；活塞包括活塞推杆和活塞盖体，活塞盖体嵌入针筒，密封针筒腔体，活塞推杆用于推动活塞盖体在针筒腔体内沿上下方向运动；针筒密封穿设且固定于上盖体且针头位于样品台的正上方；参比电极，密封穿设活塞盖体，参比电极的下端位于活塞盖体的下方，参比电极的上端位于活塞盖体的上方并用于与外部的电化学测试系统连接；辅助电极，密封穿设活塞盖体，辅助电极的下端位于活塞盖体的下方，辅助电极的上端位于活塞盖体的上方并用于与外部的电化学测试系统连接；连接导线，密封穿设于上盖体，用于连接样品和外部的电化学测试系统。

为了实现上述目的，在第二方面，本发明提供了一种电化学性能测试方法，其包括步骤：S1，将样品置于下壳体内的样品台上；S2，经由针头将介质吸入针筒腔体以使针筒腔体的活塞盖体下方的部分装满介质，使针筒密封穿设且固定于上盖体；S3：将连接导线密封穿设于上盖体并使连接导线连接样品和外部的电化学测试系统；S4：将参比电极的上端和辅助电极的上端分别与外部的电化学测试系统连接；S5，将介质装入下壳体内，使介质的高度低于样品台的高度；将上盖体盖在下壳体上并密封接合，且针筒的针头位于样品台的正上方并且使针头对准样品表面的待测部位；S6，推动活塞推杆，使针筒腔体内的介质从针头的针头腔体中被推出形成液滴，与样品表面的待测部位接触并置于针头和样品表面之间以形成电流回路，以由外部的电化学测试系统进行样品的电化学性能测试。

本发明的有益效果如下：

根据本发明第一方面的电化学性能测试装置，其结构简单、成本低廉，在性能测试实验中使用时能够使针头的针头管壁和样品表面之间的缝隙处的氧含量比针头的针头腔体和样品表面之间的氧含量高，有效降低缝隙处的缝隙腐蚀的发生几率、防止缝隙腐蚀对性能测试实验结果干扰，该装置可适用于各种形状的样品，对样品的表面的平整度要求不高。

根据本发明第二方面的电化学性能测试方法，其操作简便。虽然在针头的针头管壁与样品表面之间构成了缝隙，但由于液滴外层区直接接触空气，氧气溶解，故液滴外层区的氧气浓度最高，可抑制该缝隙处可能产生的缝隙腐蚀，而与针头腔体相通的液滴中心区的氧气浓度较低，样品表面与液滴中心区对应的部分为点蚀测量区，在此处仍可正常发生点蚀。另外，盛装有介质的气氛池处于密封环境中，使暴露的液滴处于一个相对湿度平衡饱和的环境中，有效避免了液滴蒸发对电化学性能测试实验的影响，使得实验结果更加可靠。

附图说明

图1为根据本发明的电化学性能测试装置的示意图；

图2为根据本发明的电化学性能测试方法中的电化学性能测试装置在实验状态下的示意图；

图3为根据本发明的电化学性能测试方法中的电化学性能测试装置的针头、样品和悬挂于针头与样品表面待测部位之间的液滴的示意图；

图4为图3中的圆圈部分C的放大图。

图5为根据本发明的电化学性能测试方法中的一第一实施例的电化学性能测试装置，在点蚀电位和自腐蚀电位的测试实验中测得的304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢的极化曲线图；

图6为根据本发明的电化学性能测试方法中的一第二实施例的电化学性能测试装置，在临界点蚀温度实验中测得的2205不锈钢、2507不锈钢和S32760不锈钢的电流密度-温度曲线图。

其中，附图标记说明如下：

1气氛池 7电化学测试系统

11上盖体 M介质

111观察窗口 S样品

12下壳体 D液滴

2样品台 D1液滴外层区

3针筒 D2液滴中心区

31针筒腔体 A空气中氧扩散方向

32针头 C圆圈部分

321针头管壁 L1 304不锈钢的极化曲线

322针头腔体 L2 316不锈钢的极化曲线

33活塞 L3 2205不锈钢的极化曲线

331活塞推杆 L4 2205不锈钢的电流密度-温度曲线

332活塞盖体 L5 2507不锈钢的电流密度-温度曲线

4参比电极 L6 S32760不锈钢的电流密度-温度曲线

5辅助电极

6连接导线

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的电化学性能测试装置及电化学性能测试方法。

参照图1至图4，首先说明根据本发明第一方面的电化学性能测试装置，其包括：气氛池1，气氛池1包括密封接合的上盖体11和下壳体12，下壳体12用于盛放介质M；样品台2，支撑于下壳体12内，用于放置样品S；针筒3，内部具有用于收容所述介质M的针筒腔体31，针筒3包括设置于下侧的针头32和设置于上侧的活塞33；针头32包括针头管壁321和由针头管壁321包围形成的针头腔体322；活塞33包括活塞推杆331和活塞盖体332，活塞盖体332嵌入针筒3，密封针筒腔体31，活塞推杆331用于推动活塞盖体332在针筒腔体31内沿上下方向运动；针筒3密封穿设且固定于上盖体11且针头32位于样品台2的正上方；参比电极4，密封穿设活塞盖体332，参比电极4的下端位于活塞盖体332的下方，参比电极4的上端位于活塞盖体332的上方并用于与外部的电化学测试系统7连接；辅助电极5，密封穿设活塞盖体332，辅助电极5的下端位于活塞盖体332的下方，辅助电极5的上端位于活塞盖体332的上方并用于与外部的电化学测试系统7连接；连接导线6，密封穿设于上盖体11，用于连接样品S和外部的电化学测试系统7。

根据本发明第一方面的电化学性能测试装置，其结构简单、成本低廉，在性能测试实验中使用时能够使针头32的针头管壁321和样品S表面之间的缝隙处的氧含量比针头32的针头腔体322和样品S表面之间的氧含量高，有效降低缝隙处的缝隙腐蚀的发生几率、防止缝隙腐蚀对性能测试实验结果干扰，该装置可适用于各种形状的样品S，对样品S的表面的平整度要求不高。

一般地，上盖体11和下壳体12均为透明玻璃，样品台2由导热性较好的材料制得。当样品台2在没有加温或降温的实验环境要求下也可以由透明玻璃制得。

如图1和图2所示，上盖体11的侧壁设置有观察窗口111，观察窗口111为透明玻璃。观察窗口111可用于在特定的实验中与特定的装置配合使用，如在临界点蚀温度测量实验中，红外线测温仪可通过观察窗口111测试样品S的临界点蚀温度。

在一些实验中，不需要观察窗口111的设置，为了简化实验，则上盖体11可为保鲜膜用以与下壳体12密封。

如图1和图2所示，与本发明的电化学性能测试装置连接的外部的电化学测试系统7可为电化学工作站。

针头32与样品S之间的距离为1～3mm。使在电化学性能测试实验中，针筒腔体31内的从针头32中被推出的介质M与样品S表面的待测部位保持接触并置于样品S与针头32之间，由于被推出的介质M(即后述的液滴D)的边缘处于针头管壁321与样品S之间的缝隙处，在大气压作用下不外流而能够保持稳定。

其次说明根据本发明第二方面的电化学性能测试方法。

参照图1至图6，根据本发明第二方面的电化学性能测试方法，采用第一方面的电化学性能测试装置，其包括步骤：

S1，将样品S置于下壳体12内的样品台2上；

S2，经由针头32将介质M吸入针筒腔体31以使针筒腔体31的活塞盖体332下方的部分装满介质M，使针筒3密封穿设且固定于上盖体11；

S3：将连接导线6密封穿设于上盖体11并使连接导线6连接样品S和外部的电化学测试系统7；

S4：将参比电极4的上端和辅助电极5的上端分别与外部的电化学测试系统7连接；

S5，将介质M装入下壳体12内，使介质M的高度低于样品台2的高度；将上盖体11盖在下壳体12上并密封接合，且针筒3的针头32位于样品台2的正上方并且使针头32对准样品S表面的待测部位；

S6，推动活塞推杆331，使针筒腔体31内的介质M从针头32中被推出形成液滴D，与样品S表面的待测部位接触并置于针头32和样品S表面之间以形成电流回路，以由外部的电化学测试系统7进行样品S的电化学性能测试。

根据本发明第二方面的电化学性能测试方法，其操作简便。且在该方法中，参照图3和图4，液滴D置于针头32和样品S表面之间，包括处于针头32的针头管壁321和样品S表面之间的缝隙的液滴外层区D1和处于针头32的针头腔体322和样品S表面之间的液滴中心区D2。虽然在针头32的针头管壁321和样品S表面之间构成了缝隙，参照图4中空气中氧扩散方向A，但由于液滴外层区D1直接接触空气，氧气溶解，故液滴外层区D1的氧气浓度高，可抑制该缝隙处可能产生的缝隙腐蚀，而与针头腔体322相通的液滴中心区D2的氧气浓度较低，样品S表面与液滴中心区D2对应的部分为点蚀测量区，在此处仍可正常发生点蚀。另外，盛装有介质M的气氛池1处于相对密封的环境中，使暴露的液滴D处于一个相对湿度平衡饱和的环境中，有效避免了液滴D蒸发对电化学性能测试实验的影响，使得实验结果更加可靠。

介质M可为含氯离子的溶液、含溴离子的溶液、含氟离子的溶液或含碘离子的溶液等含卤素离子的溶液，含卤素离子的溶液中含有促进钝化膜局部破坏的成分。例如氯化钠或溴化钠。

在根据本发明第二方面的电化学性能测试方法中的一第一实施例和一第二实施例中，所述介质M为氯化钠溶液，氯化钠溶液为3.5wt％氯化钠溶液。辅助电极5为铂电极，参比电极为银/氯化银参比电极。

为了防止实验中液滴D的大小由于气密性原因而发生变化，应避免在针筒腔体31内加入介质M时进入气体，并且利用密封性好的活塞33密封针筒腔体31，与大气隔绝。

本发明的电化学性能测试装置中的样品台2由导热性较好的材料制得，可以传导热量，使气氛池1中的介质M、针筒腔体31中的介质M、形成的液滴D以及样品S的温度保持一致或相近，以使实验结果免受温度影响。

在推动活塞推杆331时，要注意推动时的力度和距离，产生的液滴D必须大小适中，和样品S表面的待测部位接触并置于针头32和样品S之间。

为了使密封更可靠，保持气氛池1中的介质气氛，可在连接导线6密封穿设于上盖体11的位置和针筒3密封穿设且固定于上盖体11的位置用保鲜膜包裹。为了使针筒3稳固地穿设并固定于上盖体11，可使用固定装置(未示出)支撑固定针筒3。

在第一实施例中，采用根据本发明的电化学性能测试装置和电化学性能测试方法分别对304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢进行点蚀电位和自腐蚀电位的测试实验，即极化曲线测试。首先将304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢分别打磨成块状的样品S，水平放置在样品台2上；在做好针筒3的准备工作后，将针筒3固定于上盖体11；将参比电极4、辅助电极5和样品S与电化学工作站连接；在气氛池1中加入深度不超过样品台2的3.5wt％氯化钠溶液；将上盖体11盖在下壳体12上并密封接合；轻轻推动活塞推杆331，挤出一滴溶液与样品S表面的待测部位接触形成电流回路，进而开始实验，整个实验过程保持在25℃左右的温度中。这里，因为不需要观察窗口111，为了简化实验，可使用保鲜膜作为上盖体11与下壳体12密封，用固定装置支撑固定针筒3以密封穿设保鲜膜。

首先在开路电位下稳定10分钟，以保持温度，再在-0.8V的电极电位下(相对于银/氯化银参比电极)进行阴极极化10分钟，然后从-0.8V的电极电位开始扫描，直到电流密度开始迅猛增加到达100μA/cm²后并保持一分钟以上时停止，此时电流密度为100μA/cm²对应的电位即点蚀电位，对应电流密度最小的电位即自腐蚀电位。在通常的304不锈钢、316不锈钢和2205不锈钢点蚀电位和自腐蚀电位的测试实验中，测得304不锈钢与316不锈钢的点蚀电位基本都在0.15～0.4V范围内，2205不锈钢基本在1.0～1.2V范围内，如图5所示，实验所测结果均属于对应范围内，可见所得数据可信度和准确度较高。

在第二实施例中，采用根据本发明的电化学性能测试装置和电化学性能测试方法分别对2205不锈钢、2507不锈钢和S32760不锈钢进行临界点蚀温度测量实验。首先将2205不锈钢、2507不锈钢和S32760不锈钢分别打磨成块状的样品S，水平放置在样品台2上；在做好针筒3的准备工作后，将针筒3固定于上盖体11；将参比电极4、辅助电极5和样品S与电化学工作站连接；在气氛池1中加入深度不超过样品台2的3.5wt％氯化钠溶液；将上盖体11盖在下壳体12上并密封接合；轻轻推动活塞推杆331，挤出一滴溶液与样品S表面的待测部位接触形成电流回路，进而开始实验，在实验中用红外线测温仪通过上盖体11的观察窗口111测试样品S的临界点蚀温度。在整个实验过程中，电化学性能测试装置处于一个控温池中，以便控制温度。另外也可在气氛池1中的介质M中插入温度计，方便进一步检测温度。

首先在开路电位下稳定30分钟，使样品S和液滴D稳定在20℃；然后在温度开始上升前1分钟，施加0.7V电极电位(相对于银/氯化银参比电极)，控制温度上升速率约为1℃/min。当电流密度达到100μA/cm²并保持一分钟以上时，即达到临界点蚀温度，用红外线测温仪测量最靠近液滴D附近的样品S的表面温度，记录此时的温度，然后继续保持实验十分钟左右，然后停止实验。在通常的2205不锈钢、2507不锈钢和S32760不锈钢临界点蚀温度测量实验中，测得2205不锈钢临界点蚀温度在50～65℃范围内，2507不锈钢临界点蚀温度在70～85℃范围内，S32760临界点蚀温度在60～75℃温度范围内，如图6所示，实验所测结果均属于对应范围内，可见所得数据可信度和准确度较高。

在这里需要补充说明的是，本发明中的针头32为广义的针头，可具有所需要的任何形状和尺寸，优选地设计针头32的针头管壁321偏薄、针头32的针头腔体322的直径偏大，有助于降低针头32的针头管壁321和样品S表面之间的缝隙处发生缝隙腐蚀的几率，并且能够保证在点蚀测试实验中样品S表面的待测部位具有较大的点蚀测量区，保证在发生缝隙腐蚀时不会影响点蚀的发生而干扰实验结果。本发明中的电化学性能测试方法的步骤顺序不是唯一的，可根据具体的性能测试实验操作时的实际条件和操作的便利性来灵活改变顺序，例如，可将步骤S2中的经由针头32将介质M吸入针筒腔体31以使针筒腔体31的活塞盖体332下方的部分装满介质M的步骤置于步骤S5和步骤S6之间操作，步骤顺序的适当改变不会影响技术效果。

Claims (9)

1.一种电化学性能测试装置，其特征在于，包括：

气氛池(1)，包括密封接合的上盖体(11)和下壳体(12)，下壳体(12)用于盛放介质(M)；

样品台(2)，支撑于下壳体(12)内，用于放置样品(S)；

针筒(3)，内部具有用于收容所述介质(M)的针筒腔体(31)，针筒(3)包括设置于下侧的针头(32)和设置于上侧的活塞(33)；针头(32)包括针头管壁(321)和由针头管壁(321)包围形成的针头腔体(322)；活塞(33)包括活塞推杆(331)和活塞盖体(332)，活塞盖体(332)嵌入针筒(3)，密封针筒腔体(31)，活塞推杆(331)用于推动活塞盖体(332)在针筒腔体(31)内沿上下方向运动；针筒(3)密封穿设且固定于上盖体(11)且针头(32)位于样品台(2)的正上方；

参比电极(4)，密封穿设活塞盖体(332)，参比电极(4)的下端位于活塞盖体(332)的下方，参比电极(4)的上端位于活塞盖体(332)的上方并用于与外部的电化学测试系统(7)连接；

辅助电极(5)，密封穿设活塞盖体(332)，辅助电极(5)的下端位于活塞盖体(332)的下方，辅助电极(5)的上端位于活塞盖体(332)的上方并用于与外部的电化学测试系统(7)连接；

连接导线(6)，密封穿设于上盖体(11)，用于连接样品(S)和外部的电化学测试系统(7)；

其中，活塞推杆(331)用于使针筒腔体(31)内的介质(M)从针头(32)的针头腔体(322)中被推出形成液滴(D)、液滴(D)与样品(S)表面的待测部位接触并置于针头(32)和样品(S)表面之间以形成电流回路。

2.根据权利要求1所述的电化学性能测试装置，其特征在于，上盖体(11)和下壳体(12)均为透明玻璃。

3.根据权利要求1所述的电化学性能测试装置，其特征在于，上盖体(11)的侧壁设置有观察窗口(111)。

4.根据权利要求3所述的电化学性能测试装置，其特征在于，观察窗口(111)为透明玻璃。

5.根据权利要求1所述的电化学性能测试装置，其特征在于，上盖体(11)为保鲜膜。

6.根据权利要求1所述的电化学性能测试装置，其特征在于，外部的电化学测试系统(7)为电化学工作站。

7.根据权利要求1所述的电化学性能测试装置，其特征在于，针头(32)与样品(S)之间的距离为1～3mm。

8.一种电化学性能测试方法，其特征在于，其采用根据权利要求1-7中任一项所述的电化学性能测试装置，包括步骤：

S1，将样品(S)置于下壳体(12)内的样品台(2)上；

S2，经由针头(32)将介质(M)吸入针筒腔体(31)以使针筒腔体(31)的活塞盖体(332)下方的部分装满介质(M)，使针筒(3)密封穿设且固定于上盖体(11)；

S3：将连接导线(6)密封穿设于上盖体(11)并使连接导线(6)连接样品(S)和外部的电化学测试系统(7)；

S4：将参比电极(4)的上端和辅助电极(5)的上端分别与外部的电化学测试系统(7)连接；

S5，将介质(M)装入下壳体(12)内，使介质(M)的高度低于样品台(2)的高度；将上盖体(11)盖在下壳体(12)上并密封接合，且针筒的针头(32)位于样品台(2)的正上方并且使针头(32)对准样品(S)表面的待测部位；

S6，推动活塞推杆(331)，使针筒腔体(31)内的介质(M)从针头(32)的针头腔体(322)中被推出形成液滴(D)，与样品(S)表面的待测部位接触并置于针头(32)和样品(S)表面之间以形成电流回路，以由外部的电化学测试系统(7)进行样品(S)的电化学性能测试。

9.根据权利要求8所述电化学性能测试方法，其特征在于，所述介质(M)为含卤素离子的溶液。

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