CN110220837A

CN110220837A - 一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置

Info

Publication number: CN110220837A
Application number: CN201910423141.7A
Authority: CN
Inventors: 邱日; 刘井坤; 侯健; 孙明先
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2019-09-10

Abstract

本发明提供一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置，属于材料环境试验领域，本专利结合盐预沉积、电加热、SKP探针等技术，将金属材料置于小型环境试验腔中，利用电加热将热台加热至预定温度，利用气泵输送湿气方式实现预设湿度。达到预定温湿度后，停止加热。利用SKP探针对腐蚀进行现场扫描。扫描过程中，热台比热较大，在一定时间内其自身降温幅度在2℃以内，故可以认为所扫描的金属试样温度基本保持恒定。通过改变不同的温度、盐沉积量、湿度条件下，对金属表面电位分布进行测量，从而对大气腐蚀影响因素进行揭示，明确不同金属材料的腐蚀机制；并筛选出更具耐蚀效果的金属，对耐候钢开发、筛选具有重要的科学和实践意义。

Description

一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置

技术领域

本发明属于材料环境试验领域，具体地说是一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置，涉及对高温、高湿、高盐大气环境下金属材料腐蚀过程的原位跟踪监测，从而对金属材料的大气腐蚀行为、规律和机理进行揭示。

背景技术

金属在大气自然环境条件下的腐蚀称为大气腐蚀。大气腐蚀在金属腐蚀中是数量最多、覆盖面最广、破坏性最大的一种腐蚀。众多的金属钢架、桥梁、汽车、轮船及各种金属建筑设施，无时无刻不在遭受大气的侵蚀。金属受到大气腐蚀以后，首先是其表面颜色变灰暗，失去金属光泽，严重的时候可看到锈迹斑斑。当腐蚀到一定的程度以后，就会产生明显的破坏，甚至产生突发性的灾难。因此，金属的大气腐蚀需要引起足够的重视和关注。

高温、高湿、高盐是最恶劣的自然腐蚀环境。高温的存在能够降低腐蚀反应的活化能，促进腐蚀的发生；高湿为金属表面的腐蚀提供重要的水环境；水的存在可以将高盐沉积变成高浓度的电解质溶液，使得金属腐蚀反应按照电化学过程进行，电化学腐蚀过程实现了阳极溶解和阴极氧还原过程分离，促进反应的进行。服役于该大气环境的材料、构件等在该环境中将以表面生成的液膜形态遭受严重腐蚀。所以，明确金属材料和构件的耐腐蚀性能和揭示腐蚀机理，对工程建设阶段选材以及提高工程使用寿命和安全可靠性能具有重要意义。

当前，金属材料环境试验的通用方法为采用自然环境现场挂片、实验室内模拟试验箱暴露等方式。该类金属材料的腐蚀试验方式只能统计的给出试片厘米或者毫米尺度金属腐蚀的信息，难以从微观、区域角度对腐蚀的机理进行深入的揭示。再者，一般的试验箱或者现场环境挂片的技术都是采用定期取样的方式进行分析，来推断腐蚀的机理，难于实现原位测量。原位区域化的跟踪可以提供重要的参考数据。

扫描开尔文探针（SKP）是一种无接触、无破坏性的仪器，可用于测量金属、表面涂层、缓蚀剂与探针之间的功函差，从而为明确材料的失效过程和机制提供重要的参考。这种技术是用一个振动电容探针来工作，通过调节一个外加的前级电压测量样品表面和扫描探针的参比针尖之间的功函差，而功函和表面状况直接相关。SKP的独特性质使之尤其适合于金属大气腐蚀方面研究，通过表面电位的分布可以反演出的材料的耐蚀性，并对机理的揭示起到重要作用。

然而扫描开尔文探针本身为一种价格昂贵、设计精密的电化学设备。在高温、高湿、高盐环境下其自身将会被恶劣的环境所破坏，造成数据缺乏可信度，不能有效的对金属材料的大气腐蚀过程进行跟踪，难以正确揭示材料的腐蚀机理。

发明内容

本发明的技术任务是针对恶劣大气环境下SKP技术不能用于腐蚀试验的困境，提出一种适用于高温、高湿、高盐环境下大气腐蚀研究的原位扫描开尔文探针技术，便于在该恶劣环境下对金属材料的腐蚀过程进行原位跟踪，明确金属材料的腐蚀机理。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，包括试验腔、SKP探针、湿度控制部分、温度控制部分，

其中试验腔为试验装置的核心，用于为试验提供试样金属放置和SKP探针扫描的空间，并提供环境试验所需的湿度、温度条件；

其中SKP探针设于试验腔顶部，其针尖部分伸入试验腔顶部的开口处；

其中温度控制部分用于保证试验过程中的温度在设定范围内，实现试样金属所处环境温度的控制；

其中湿度控制部分用于将湿气导入试验腔，保证试验过程中试验腔的湿度在设定范围内，实现试样金属所处环境湿度的控制。

可选地，所述温度控制部分包括热台、加热片、感温元件、电源，其中热台、加热片设于试验腔内，热台具有供试样金属放置的台面，加热片设于加热台上，利用加热片为试样金属加热，加热片上设有感温元件，加热片电连接到电源上，当感温元件达到设定温度后，电源断开，停止加热。

可选地，所述湿度控制部分包括气泵、湿气腔、湿度计，气泵、湿气腔通过管路连至试验腔，当湿度计达到设定温度后，气泵断开，停止输入湿气。

可选地，所述试样金属通过在其表面盐预沉积，实现试样金属所处环境盐度的控制。

可选地，所述热台数量为一个或具有多个热台阵列单元。

2、本发明另提供一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法，该方法通过将试样金属置于试验腔中，利用温度控制部分控制试验腔温度，利用湿度控制部分控制试验腔湿度，利用试样金属上方的SKP探针对腐蚀进行现场扫描。

可选地，通过改变不同的温度、盐沉积量、湿度条件，利用SKP探针对金属表面电位分布进行测量。

本发明的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明能够实现高温、高盐、高湿恶劣环境下的金属大气腐蚀原位监测。这是传统环境试验所无法达到的。通过改变环境因素比如温度、湿度等，利用SKP技术可以快速揭示不同环境因素对金属大气腐蚀的影响，从而为揭示不同材质的腐蚀机制、耐候性建立试验平台；并可为耐腐蚀材料的快速筛选和评价提供重要的手段和方法。

本发明中所设计的模拟大气腐蚀试验装置和方法突出特点为：

1）原位性。利用原位探针技术能够现场监测出环境因素改变对腐蚀的影响，从而对机理能够快速辨别。

2）局部性。通过利用SKP技术，可实现在微观尺度（微米级和亚微米）来跟踪金属腐蚀过程，这是传统技术无法达到的。

3）通用性。通过改变温湿度等其他环境条件，可以对典型自然环境比如热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆等气候都能进行模拟。本装置设计结构合理、原理科学，可推动大气腐蚀模拟试验技术的发展，为评价材料大气腐蚀性能和筛选耐大气腐蚀的材料提供了新方法，具有很高的推广和应用价值。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图。

图中各标号表示：

1、SKP探针，2、试样金属，3、热台，4、加热片，5、直流电源，6、气泵，7、湿度计，8、试验腔，9、湿气腔，10、感温元件。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法及装置作以下详细说明。

如附图1所示，本发明的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，包括试验腔8、SKP探针1、湿度控制部分、温度控制部分，各个系统的结构及作用分别如下：

试验腔8为试验装置的核心，用于为试验提供试样金属2放置和SKP探针1扫描的空间，并提供环境试验所需的湿度、温度条件；

SKP探针1设于试验腔8顶部，其针尖部分伸入试验腔8顶部的开口处；

温度控制部分用于保证试验过程中的温度在设定范围内，实现试样金属2所处环境为高温环境；

湿度控制部分用于将湿气导入试验腔8，保证试验过程中试验腔8的湿度在设定范围内，实现试样金属2所处环境为高湿环境。

具体来说：

温度控制部分包括热台3、加热片4、感温元件10、直流电源5，其中热台3、加热片4设于试验腔8内，热台3具有供试样金属2放置的台面，加热片4设于加热台3上，利用加热片4为试样金属2加热，加热片4上设有感温元件10，加热片4电连接到直流电源5上，当感温元件10达到设定温度后，直流电源5断开，停止加热。通过热台3保持自身温度，可使试样金属2在测试过程中温度波动范围保持在允许范围内。从而维持试样金属2表面的高温环境（如60^oC）。热台3数量可以为一个或具有多个热台3阵列单元。

湿度控制部分包括气泵6、湿气腔9、湿度计7，气泵6、湿气腔9通过管路连至试验腔8，当湿度计7达到设定温度后，气泵6断开，停止输入湿气。

试样金属2通过在其表面盐预沉积，实现试样金属2所处环境盐度的控制。

本发明的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法，结合盐预沉积、电加热、SKP探针1等技术，将金属材料置于小型环境试验腔8中，利用电加热将热台3加热至预定温度（如60℃），利用气泵6输送湿气方式实现预设湿度。达到预定温湿度后，停止加热。利用SKP探针1对腐蚀进行现场扫描。扫描过程中，热台3比热较大，在一定时间内（如15min）其自身降温幅度在2℃以内，故可以认为所扫描的金属试样温度基本保持恒定。

通过改变不同的温度、盐沉积量、湿度条件下，对金属表面电位分布进行测量，从而对大气腐蚀影响因素进行揭示，明确不同金属材料的腐蚀机制；并筛选出更具耐蚀效果的金属，这对耐候钢开发、筛选具有重要的科学和实践意义。另外，在控制温度、湿度、沉积盐量的条件下，本发明对典型自然环境，比如热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆等环境中的一种、两种或多种的集群都能进行模拟。

具体实施例：

将片状Q235钢进行打磨、抛光后，将NaCl溶于无水乙醇制备饱和溶液，利用微量移液器移取定量NaCl-乙醇溶液于金属表面，从而在钢表面预先沉积定量的NaCl。自然干燥后，将试片置于试验腔8的热台3上，利用电加热片4将热台3加热到预定温度（如60oC），达到预定温度后停止加热。将湿气通过气泵6装置泵入试验腔8中。湿度平衡后，利用SKP探针1扫描金属表面电位变化，从而得到高温、高湿、高盐环境下表面电位随腐蚀反应进行的变化趋势。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims

1.一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，其特征在于，包括试验腔（8）、SKP探针（1）、湿度控制部分、温度控制部分，

其中试验腔（8）为试验装置的核心，用于为试验提供试样金属（2）放置和SKP探针（1）扫描的空间，并提供环境试验所需的湿度、温度条件；

其中SKP探针（1）设于试验腔（8）顶部，其针尖部分伸入试验腔（8）顶部的开口处；

其中温度控制部分用于保证试验过程中的温度在设定范围内，实现试样金属（2）所处环境温度的控制；

其中湿度控制部分用于将湿气导入试验腔（8），保证试验过程中试验腔（8）的湿度在设定范围内，实现试样金属（2）所处环境湿度的控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述温度控制部分包括热台（3）、加热片（4）、感温元件（10）、电源，其中热台（3）、加热片（4）设于试验腔（8）内，热台（3）具有供试样金属（2）放置的台面，加热片（4）设于加热台（3）上，利用加热片（4）为试样金属（2）加热，加热片（4）上设有感温元件（10），加热片（4）电连接到电源上，当感温元件（10）达到设定温度后，电源断开，停止加热。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述湿度控制部分包括气泵（6）、湿气腔（9）、湿度计（7），气泵（6）、湿气腔（9）通过管路连至试验腔（8），当湿度计（7）达到设定温度后，气泵（6）断开，停止输入湿气。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述试样金属（2）通过在其表面盐预沉积，实现试样金属（2）所处环境盐度的控制。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测装置，其特征在于，所述热台（3）数量为一个或具有多个热台（3）阵列单元。

6.一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法，其特征在于，该方法通过将试样金属（2）置于试验腔（8）中，利用温度控制部分控制试验腔（8）温度，利用湿度控制部分控制试验腔（8）湿度，利用试样金属（2）上方的SKP探针（1）对腐蚀进行现场扫描。

7.根据权利要求6所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法，其特征在于，所述试样金属（2）通过在其表面盐预沉积，实现试样金属（2）所处环境盐度的控制。

8.根据权利要求7所述的一种用于高温、高湿、高盐大气环境下腐蚀原位监测方法，其特征在于，通过改变不同的温度、盐沉积量、湿度条件，利用SKP探针（1）对金属表面电位分布进行测量。