CN113514388B - 一种电化学腐蚀传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及金属电化学腐蚀监测技术领域，具体涉及一种电化学腐蚀传感器及其制备方法，电化学腐蚀传感器包括金属基板、叠加在基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层；所述绝缘层和电极层的厚度为微米级；制备方法为通过超声喷涂在金属基板表面喷涂UV胶形成绝缘层，然后通过超声喷涂在绝缘层表面喷涂纳米碳层或纳米金层形成电极层。电化学腐蚀传感器结构简单，加工工艺先进，适合批量生产，绝缘层和电极层均采用超声纳米喷涂的方式加工，加工时绝缘层和电极层厚度可进行精密控制，最小可做到纳米级别的区分，从而保证了传感器检测灵敏度和检测参数一致性，使得本发明的电化学腐蚀传感器具有很好的一致性和高灵敏度。

Description

一种电化学腐蚀传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属电化学腐蚀监测技术领域，具体涉及一种电化学腐蚀传感器及其制备方法。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

对金属腐蚀情况的监测，在电力行业尤其对铁搭、接地端子排等腐蚀情况的监测是保证电力运行安全的重要环节。电力输电铁塔、接地端子排等金属件暴露于各种自然环境中，会遭遇到各种各样的腐蚀破坏，锈蚀的铁塔、端子排等力学性能、导电性能大幅度降低，这会直接影响到电力运行的安全，因此，采用有效措施，对输电铁塔、接地端子排等金属件腐蚀情况进行实时监测是十分必要的。

金属电化学腐蚀传感器是实现上述实时监测的有效手段，传感器金属基板采用与铁塔、端子排等相同的金属材质，并与铁塔、端子排安装于相同的使用现场，两者处于相同的自然环境，通过监视传感器自身的腐蚀，可真实反映铁塔、端子排的腐蚀情况。

现有技术中有技术公开了一种金属材料大气腐蚀电化学传感器及其应用，传感器整体采用环氧胶泥封装，夹层材料设置在工作电极之间，并由环氧胶泥和绝缘材料填充两者之间的间隙，以保证两者在整体封装中的绝缘状态；夹层材料的上面设置有引流材料，用于将提供导电性的液体引流到夹层材料中，以使夹层材料的表面能够提供导电性能，导通位于夹层材料两侧工作电极的工作面积；夹层材料的中部设置有用于固定参比电极的孔；该技术的电化学传感器虽可有效的检测金属材料在大气环境中的实时电化学腐蚀行为，但传感器工作电极、夹层材料和参比电极三层组成的腐蚀监测面处于同一个平面上，当腐蚀发生时腐蚀产物附着于传感器表面，会严重影响传感器的监测精度及寿命。

还有现有技术公开了一种电偶型腐蚀传感器，包括本体，本体由上下依次叠加在一起的金属电极、绝缘片和碳膜电极组成，金属电极和碳膜电极均电连接有电极引出线，本体设置有若干贯穿金属电极、绝缘片和碳膜电极的通孔；该技术的电偶型腐蚀传感器由于其加工方式的局限，其绝缘片和碳膜电极两层厚度均为毫米级别，当腐蚀发生时，传感器的灵敏度会大大降低。

因此发明人发现如何提供一种灵敏度高、加工工艺先进、可以保证批量生产时参数一致性好的电化学腐蚀传感器，是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种电化学腐蚀传感器及其制备方法，电化学腐蚀传感器及包括金属基板、叠加在基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层；绝缘层及电极层均采用超声喷涂的方式加工，绝缘层和电极层的厚度都达到微米级别；传感器具有很好的灵敏度和一致性，并且制作方法可实现低成本、大规模生产的要求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，提供一种新型电化学腐蚀传感器，所述传感器包括金属基板、叠加在基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层；所述绝缘层和电极层的厚度为微米级；

优选地，所述绝缘层的厚度为10±0.2微米，所述电极层的厚度为25±0.2微米。

现有技术中的电化学腐蚀传感器由于加工方式的局限，其绝缘片和碳膜电极两层厚度均为毫米级别，当腐蚀发生时，传感器的灵敏度会大大降低；而本发明则对基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层进行改进，将其改进为微米级别，使得本发明的电化学腐蚀传感器具有很好的一致性和高灵敏度。

优选地，所述金属基板采用纯度高于99.9％的纯金属，能保证传感器全生命周期内腐蚀监测的一致性；

优选地，绝缘层采用UV胶，采用超声喷涂的方式喷涂在金属基板上；UV胶易喷涂、易固化且绝缘性能好；

优选地，电极层选用纳米碳层或纳米金层，采用超声喷涂的方式喷涂在绝缘层上；本发明中选用的纳米碳层或纳米金层惰性好，电极层作为参考电极具有很好的耐腐蚀性能；

在本发明的第二方面，提供一种上述电化学腐蚀传感器的制备方法，先将金属基板加工成型，然后通过超声喷涂在金属基板表面喷涂UV胶形成绝缘层，最后通过超声喷涂在绝缘层表面喷涂纳米碳层或纳米金层形成电极层。

本发明中绝缘层和电极层均采用超声喷涂的方式加工，优点在于绝缘层和电极层的厚度根据不同要求可进行精密控制，精度可做到纳米级别的区分，总体厚度可以做到微米级别，从而保证了传感器检测灵敏度和检测参数一致性。

具体地，所述制备方法为：

(1)加工金属基板，得到一定外形和通孔数量的金属基板；

(2)将绝缘层超声喷涂到金属基板上，采用紫外灯固化，形成完整均匀的绝缘层薄膜，厚度为(10±0.2)微米；

(3)将电极层超声喷涂到绝缘层上，喷涂后放置于高温烘箱内烘干，以形成完整的电极层薄膜，厚度为(25±0.2)微米，且膜表面电阻在2欧姆之内。

进一步地，步骤(2)中将绝缘层超声喷涂到金属基板上，具体为采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统喷涂UV水性胶水在金属基板上，优选地，所用UV水性胶水的粘度要求不大于100cps，该条件的选择是基于超声喷涂工艺的要求选择的；

进一步地，步骤(3)中将电极层超声喷涂到绝缘层上，具体为采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统将碳纳米浆料喷涂在绝缘层上，优选地，所用碳纳米浆料为水性浆料，粘度要求不大于100cps，该条件的选择是基于超声喷涂工艺的要求选择的。

本发明的具体实施方式具有以下有益效果：

本发明提供的电化学腐蚀传感器具有结构简单，加工工艺先进的等优点，适合批量生产，同时又能保证很好的一致性；

绝缘层和电极层均采用超声纳米喷涂的方式加工，加工时绝缘层和电极层厚度可进行精密控制，最小可做到纳米级别的区分，从而保证了传感器检测灵敏度和检测参数一致性，使得本发明的电化学腐蚀传感器具有很好的一致性和高灵敏度。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例2的电化学腐蚀传感器结构图；

图2为本发明实施例2的电化学腐蚀传感器测试数据图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术中论述的，现有技术中的电化学腐蚀传感器由于加工方式的局限，其绝缘片和碳膜电极层两层的厚度均为毫米级别，当腐蚀发生时，传感器的灵敏度会大大降低；鉴于此，本发明则对基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层进行改进，将其改进为微米级别，使得本发明的电化学腐蚀传感器具有很好的一致性和高灵敏度。

本发明的一种实施方式中，提供了一种电化学腐蚀传感器，所述传感器包括金属基板、叠加在基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层；所述绝缘层和电极层的厚度为微米级。

在本发明的一种或多种实施方式中，所述绝缘层的厚度为10±0.2微米，所述电极层的厚度为25±0.2微米。

现有技术中的电化学腐蚀传感器由于加工方式的局限，其绝缘片和碳膜电极两层厚度均为毫米级别，当腐蚀发生时，传感器的灵敏度会大大降低。而本发明则对基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层进行改进，将其改进为微米级别，使得本发明的电化学腐蚀传感器具有很好的一致性和高灵敏度。

优选地，所述金属基板采用纯度高于99.9％的纯金属，能保证传感器全生命周期内腐蚀监测的一致性；

优选地，绝缘层采用UV胶，采用超声喷涂的方式喷涂在金属基板上；UV胶易喷涂、易固化且绝缘性能好；

优选地，电极层选用纳米碳层或纳米金层，采用超声喷涂的方式喷涂在绝缘层上；本发明中选用的纳米碳层或纳米金层惰性好，电极层作为参考电极具有很好的耐腐蚀性能；

优选地，金属基板、绝缘层及电极层上均匀分布有多个通孔，借助通孔四周薄液膜的“边缘吸附效应”，放大金属基板腐蚀发生时的腐蚀电流；

进一步优选地，所述通孔的个数为28个；通孔的直径为3mm；

进一步地，电化学腐蚀传感器的金属基板与电极层良好绝缘，两层间绝缘电阻大于200M欧姆。

本发明的一种实施方式中，提供了一种上述电化学腐蚀传感器的制备方法，所述制备方法为通过超声喷涂在金属基板表面喷涂UV胶形成绝缘层，然后通过超声喷涂在绝缘层表面喷涂纳米碳层或纳米金层形成电极层。

本发明中绝缘层和电极层均采用超声喷涂的方式加工，优点在于绝缘层和电极层的厚度根据不同要求可进行精密控制，精度可做到纳米级别的区分，总体厚度可以做到微米级别，从而保证了传感器检测灵敏度和检测参数一致性，并且检测灵敏度高。

具体地，所述制备方法为：

(1)加工金属基板，得到一定外形和通孔数量的金属基板；

(2)将绝缘层超声喷涂到金属基板上，采用紫外灯固化，形成完整均匀的绝缘层薄膜，厚度为(10±0.2)微米；

(3)将电极层超声喷涂到绝缘层上，喷涂后放置于高温烘箱内烘干，以形成完整的电极层薄膜，厚度为(25±0.2)微米，且膜表面电阻在2欧姆之内。

优选地，步骤(1)中，所述金属基板的外形和通孔数量及分布情况根据传感器所检测腐蚀电流的范围进行设计；进一步优选地，所述通孔的个数为28个；通孔的直径为3mm；

优选地，具体制作时，金属基板先加工成型，然后采用超声喷涂工艺喷涂形成绝缘层和电极层；

优选地，步骤(1)中，金属基板加工后尺寸误差均小于0.05mm；

优选地，步骤(1)中还包括对加工后的金属基板进行表面抛光的步骤，表面抛光去掉金属基板表面的氧化膜，抛光后的金属基板表面无锈蚀，平面度小于0.01mm，且金属基板及通孔的周边均无毛刺；

进一步地，步骤(2)中将绝缘层超声喷涂到金属基板上，具体为采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统喷涂UV水性胶水在金属基板上，优选地，所用UV水性胶水的粘度要求小于100cps，该条件的选择是基于超声喷涂工艺的要求选择的；

进一步地，步骤(3)中将电极层超声喷涂到绝缘层上，具体为采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统将碳纳米浆料喷涂在绝缘层上，优选地，所用碳纳米浆料为水性浆料，粘度要求小于100cps，该条件的选择是基于超声喷涂工艺的要求选择的；

优选地，步骤(2)中，紫外灯固化时间为20～40分钟，进一步优选30分钟，以形成完整均匀的绝缘层薄膜；

优选地，步骤(3)中，烘干的条件为115～135℃，20～40min，进一步优选125℃，30min，以形成完整的电极层薄膜；

下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。

实施例1

电化学腐蚀传感器的制备：

1、金属基板加工成型

金属基板采用纯度高于99.9％，厚度为1mm的锌板；金属基板首先按设计要求进行加工，加工后的金属基板进行表面抛光，抛光后整体平整，表面无锈蚀，且边缘及通孔四周无毛刺；

2、绝缘层的制备

现将金属基板上各通孔事先封堵上，避免喷涂过程中UV胶喷涂在通孔内壁上；

超声喷涂采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统，配置有误差不超过1μm的运动平台，可实现高精度高密度的喷涂打印功能；

喷涂之前，调整好MicroFab系统相关参数，基台尺寸210*260mm，最大行程300*300mm；选择喷头喷口直径5μm，设定喷头频率为25kHz，速度50mm/s，加速度1500mm/s²，喷涂流量为35μl/min；精密控制氮气的压强为0.06×10⁶Pa；

喷涂绝缘层之前，传感器金属基板固定在MicroFab系统基台上，通过垂直CCD相机实现金属基板外形尺寸高精度高密度的图案绘制；

调整UV胶粘度为100cps，然后设定MicroFab系统运行参数，在其水平和垂直CCD相机的共同监测下，实现在金属基板表层喷涂(10±0.2)微米绝缘层；

喷涂后的UV胶绝缘层采用紫外灯固化30分钟，以形成完整均匀的绝缘层薄膜；

3、电极层的制备

传感器绝缘层完全固化后，采用MicroFab系统进行电极层的喷涂；

电极层采用碳纳米浆料，其粘度为100cps，MicroFab系统采用5μm口径喷头，设定MicroFab系统与绝缘层同样的运行参数进行喷涂；

喷涂后的电极层碳纳米浆料，放置于高温烘箱内，125℃/30min条件下烘干，以形成完整的电极层薄膜。

实施例2

如图1所示，一种新型电化学腐蚀传感器，包括金属基板1、绝缘层2及电极层3；金属基板1、绝缘层2及电极层3上均匀分布有28个直径3mm通孔11，借助通孔11四周薄液膜的“边缘吸附效应”，放大金属基板腐蚀发生时的腐蚀电流。

优选地，金属基板1为纯度高于99.9％，厚度为1mm的锌板；绝缘层2采用UV胶，厚度为(10±0.2)微米；电极层3采用纳米碳层，厚度为(25±0.2)微米；金属基板1与电极层3良好绝缘，两层间绝缘电阻需大于200M欧姆。

采用实施例1的电化学腐蚀传感器的制备方法，制备多个电化学腐蚀传感器，放置于高精度湿度箱内部，设置湿度箱箱体内不同的湿度，然后采集腐蚀传感器产生的腐蚀电流；在多个电化学腐蚀传感器中随机选择4个电化学腐蚀传感器进行测试：

由图2可见，随机选择的4个电化学腐蚀传感器进行测试，图中湿度标注的1条曲线代表湿度变化曲线，电流标注的4条曲线代表腐蚀传感器腐蚀电路曲线；由图可知，湿度箱设置相对湿度50％～100％～50％范围变化，传感器对湿度变化具有很好的响应度和灵敏度，且4只传感器的腐蚀电流具有很好的一致性；传感器的灵敏度和一致性远超同类产品；因此，此制作方法优势明显，可实现低成本、大规模生产的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.电化学腐蚀传感器，其特征在于，所述传感器包括金属基板、叠加在基板上的绝缘层及叠加在绝缘层上的电极层；所述绝缘层和电极层的厚度为微米级；所述电极层选用纳米碳层或纳米金层；金属基板、绝缘层及电极层上均匀分布有多个通孔；通过超声喷涂在金属基板表面喷涂UV胶形成绝缘层，然后通过超声喷涂在绝缘层表面喷涂纳米碳层或纳米金层形成电极层；

所述绝缘层的厚度为10±0.2微米，所述电极层的厚度为25±0.2微米。

2.一种如权利要求1所述的电化学腐蚀传感器，其特征在于，所述金属基板采用纯度高于99.9%的纯金属。

3.一种如权利要求1所述的电化学腐蚀传感器，其特征在于，所述通孔的个数为28个；通孔的直径为3 mm。

4.一种如权利要求1所述的电化学腐蚀传感器，其特征在于，电化学腐蚀传感器的金属基板与电极层良好绝缘，两层间绝缘电阻大于200 M欧姆。

5.一种如权利要求1-4任一权利要求所述电化学腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，通过超声喷涂在金属基板表面喷涂UV胶形成绝缘层，然后通过超声喷涂在绝缘层表面喷涂纳米碳层或纳米金层形成电极层。

6.一种如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体为：

（1）加工金属基板，得到一定外形和通孔数量的金属基板；

（2）将绝缘层超声喷涂到金属基板上，采用紫外灯固化，形成完整均匀的绝缘层薄膜，厚度为(10±0.2)微米；

（3）将电极层超声喷涂到绝缘层上，喷涂后放置于高温烘箱内烘干，以形成完整的电极层薄膜，厚度为(25±0.2)微米，且膜表面电阻在2欧姆之内。

7.一种如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，金属基板加工后尺寸误差均小于0.05 mm。

8.一种如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中还包括对加工后的金属基板进行表面抛光的步骤，表面抛光去掉金属基板表面的氧化膜，抛光后的金属基板表面无锈蚀，平面度小于0.01 mm，且金属基板及通孔的周边均无毛刺。

9.一种如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统喷涂UV水性胶水在金属基板上。

10.一种如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所用UV水性胶水的粘度要求小于100 cps。

11.一种如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，紫外灯固化时间为20~40分钟。

12.一种如权利要求11所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，紫外灯固化时间为30分钟。

13.一种如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中采用MicroFab高精度纳米材料沉积喷墨打印系统将碳纳米浆料喷涂在绝缘层上。

14.一种如权利要求13所述的制备方法，其特征在于，所用碳纳米浆料为水性浆料，粘度要求小于100 cps。

15.一种如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，烘干的条件为115~135℃，20~40 min。

16.一种如权利要求15所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，烘干的条件为125℃，30 min。

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