一种用丝束电极监测离子迁移对电化学腐蚀影响的方法与流程

本发明属于电化学腐蚀与防护相关，具体涉及一种用丝束电极监测离子迁移对电化学腐蚀影响的方法。

背景技术：

1、电化学过程经常受到反应物失电子的速率和物质扩散速率的影响。为确定电化学活性物质的运动规律，例如离子扩散、迁移和渗透，对于理解许多具有工业意义的重要电化学过程是重要的。例如，混凝土中钢筋的电化学腐蚀被认为是由腐蚀性物质如氯离子和氧分子的渗透引发的，并由这些腐蚀性物质的质量传输速率控制。为了测量混凝土中腐蚀剂的物质传输，实验室试验方法，如扩散池法浓度剖面法和电导率测量已经开发出来了。扩散池法是一种实验技术，用于测量混凝土中的离子迁移率。它利用由混凝土膜分隔的两个隔室组成的扩散池，并使用离子敏感电极监测从一个隔室扩散到另一个隔室的离子量。浓度剖面法基于通过化学分析从暴露于离子中不同时间后的混凝土结构的不同位置采集的样品来确定离子浓度分布。

2、这些测试方法被广泛使用，但是它们具有一些缺点，例如，它们不能提供关于大量传输过程的即时信息。它们也被认为产生不一致或可疑的结果。研究混凝土中质量传递的另一种方法是使用微分方程的数学建模，例如菲克扩散定律。这些微分方程可以对简单的系统进行求解，但是发现它们在解释离子在实际具体环境中的扩散行为时有困难。事实上，在实际环境中，例如在混凝土结构中，质量传递是非常复杂的，并且会受到许多因素的影响，例如离子之间的相互作用和离子扩散率随时间的变化。为了提高确定电化学活性物质传输的准确性，已经进行了许多尝试来设计更好的测试方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种用丝束电极监测离子迁移对电化学腐蚀影响的方法。其是一种针对材料腐蚀过程中物质传输问题的检测方法，首次应用电化学集成多电极系统，即丝束电极(wbe)来研究电化学活性物种的迁移对电化学腐蚀过程、速率和模式的影响。本发明的目的是证明wbe方法在研究与离子迁移相关的腐蚀过程中的适用性。结果表明，识别和分析利用丝束电极测量的特征图可以作为研究离子扩散、电荷迁移和其他形式的传质相关电化学腐蚀过程的一种手段。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种用丝束电极监测离子迁移对电化学腐蚀影响的方法，包括如下步骤：

4、(1)将滤纸覆盖在不锈钢丝束电极表面，该滤纸在蒸馏水中润湿；

5、(2)用移液管将固体化学物质放在滤纸的粘性面上，所述固体化学物质为可溶性金属盐类化合物；；固体化学物质将逐渐溶解并扩散离开原来被放置的位置，溶解的电解液在wbe表面形成浓度梯度；

6、(3)丝束电极的所有电线终端都连接在一起，电子在不同电极之间自由移动，模拟了一个整体电极的电化学行为；

7、(4)在丝束电极表面暴露于扩散腐蚀环境期间，连续测量腐蚀电位和电流图：丝束电极浸入湿滤纸下6～15min后，通过依次测量每根导线的开路电位得到腐蚀电位分布图。和通过测量每根电极在每根电极表面的电流得到wbe表面的电流分布图，所述测量均由计算机控制完成。

8、进一步，上述实验开始前丝束电极中的每根金属丝都与一根细导线焊接，将导线的另一头按顺序排好一次焊接到公头接头上，再与设备上的母头连接，联通工作站和电脑即可开始试验。

9、进一步，所述丝束电极为不锈钢丝束电极，所述电极由数根相同的彼此绝缘的不锈钢丝制成；将电极排列成密集方阵，固化后(排列成方针，浇筑环氧树脂，等待环氧树脂固化后)的电极方阵非工作面分别焊接绝缘铜导线后引出，通过将导线嵌入环氧树脂中进行8～12h固化成型后，抛光，清洗，烘干；

10、更进一步，所述每根不锈钢金属丝既作为微型电极又作为腐蚀基底。

11、更进一步，所述丝束电极的工作表面用磨料抛光工具抛光(优选400、800和1000粒度的碳化硅纸)，并在水平面朝上放置之前用去离子水和乙醇清洗，烘干表面待用。

12、进一步，所有实验都是在空调室温10-30℃的静态条件下进行的。

13、进一步，所述可溶性金属盐类化合物为fecl3、nacl或niso4。所述fecl3、nacl或niso4的用量分别是fecl35～10g、nacl3～8g或niso49～12g。

14、本发明选择fecl35～10g、nacl3～8g或niso49～12g使用量在该重量范围内时，丝束电极对离子扩散行为能够灵敏捕捉，丝束电极的灵敏度更高,超出上述浓度范围就无法形成规律性的图谱如附图8-13。

15、进一步，在步骤(4)中通过电化学工作站自动测量电压和电流，电压和电流的测量通过计算机控制完成。

16、进一步，在步骤(4)中测量wbe表面的电流分布图过程中，逐一测量在每根电极表面的电流，此时被测量的电极与其他电极短接，进而得到单个电极表面的电流信息；所述这种连接也是使用计算机控制的自动开关装置完成的。

17、进一步，在步骤(4)中腐蚀电位和电偶电流分布图的测量在实验期间交替进行，测试时间通常为6～12h。

18、本发明电极的制备包括金属电极的细化，可以大大提高电极的灵敏度(现有的是单一大电极，现在相当于是100根丝状电极)，电化学测试结果说明电极本身能够灵敏捕捉相关电化学数据。

19、本发明用丝束电极(wbe)来研究电化学活性物种的迁移对电化学腐蚀过程、速率和模式的影响，能够更加精确且实时反映离子的分布，优先发生腐蚀的地方，从后面的电位电流的分布反映出来，通过规律性的图谱。

20、发明详述：

21、一种用丝束电极监测离子迁移对电化学腐蚀影响的方法，包括如下步骤：

22、1、电极制备：本发明中使用的丝束电极(wbe)为不锈钢。该电极由100根相同的彼此绝缘的不锈钢316l丝制成。每根金属丝的直径为1.5mm，既作为微型电极又作为腐蚀基底。工作面积(由金属丝束占据的面积)约为2.25mm2(1.5mm×1.5mm)，总金属面积约为225mm2。将电极排列成密集10×10方阵，固化后的10×10电极方阵非工作面分别焊接绝缘铜导线后引出，最后通过将导线嵌入环氧树脂中进行8～12h固化成型。wbes的工作表面用400、800和1000粒度的碳化硅纸抛光，并在水平面朝上放置之前用去离子水和乙醇清洗，烘干表面待用。

23、2、实验模拟：一张滤纸(42～90μm级)覆盖在丝束电极表面，该滤纸在蒸馏水中润湿。为了在wbe表面产生缓慢和渐进的离子扩散，用移液管充满固体化学物质，如fecl3(5～10g)、nacl(3～8g)或niso4(9～12g)放在滤纸的粘性面上。在这种情况下，固体化学物质将逐渐溶解并扩散离开原来被放置的位置，溶解的电解液在wbe表面形成浓度梯度(cl离子有在金属表面富集的趋势，氯离子体积小，容易聚集在钢表面薄弱区域。这样就会形成氯离子在钢表面浓度梯度。)。在整个腐蚀过程中，wbe的所有电线终端都连接在一起，因此电子可以在不同电极之间自由移动，模拟了一个整体电极的电化学行为。所有实验都是在空调室温(约20℃)的静态条件下进行的。

24、3、环境条件和电化学实验：在丝束电极(wbe)表面暴露于扩散腐蚀环境期间，连续测量腐蚀电位和电流图。将wbe浸入湿滤纸下10分钟后，腐蚀电位通过计算机自动控制装置依次测量每一根微电极表面的开路电位。gillac设计用于自动测量电压和电流。同样的实验装置也用于测量wbe表面的电流分布图。测量过程中，逐一测量每根电极在每根电极表面的电流，此时被测量的电极与其他电极短接，进而得到单个电极表面的电流信息。这种连接也是使用计算机控制的自动开关装置完成的。腐蚀电位和电偶电流分布图的测量在实验期间交替进行(测试时间通常为8h)。

25、本发明是一种新的试验方法，旨在发展一种新的方法来实时确定腐蚀离子的运动及其对电化学腐蚀过程的影响。这项工作的关键是应用丝束电极(wbe)且放置在一个新颖的实验装置(即丝束电极在薄液膜环境下的测试)中。wbe是一个微型电极阵列，它构成了一个独特的集成多电极系统，可以有效地模拟电化学腐蚀行为中的传统整体电极表面。其自身的多电极结构是一种特殊的特征，可以允许测量局部电化学参数，例如局部电极电势及其由于扩散引起的离子浓度变化而引起的变化。这些特征对于检测电化学活性离子的运动及其电化学腐蚀效应应该是非常有价值的。

26、本发明所述丝束电极和传统电极的本质区别在于结构与功能特性：

27、传统电极：通常为单一电极(如金属棒、片)，用于整体电化学测量(如电位、电流)，反映电极表面平均电化学行为，无法解析局部腐蚀或微区差异。

28、丝束电极：由多根微米级电极丝(如金属丝)按阵列集成，可同步测量各电极丝的局部电化学信号(如电流分布、电位差异)，用于研究材料表面微区腐蚀、电化学反应不均匀性等局部行为。核心差异：传统电极侧重整体平均响应，丝束电极聚焦局部微区电化学特性。

29、有益的技术效果：

30、本发明针对低碳钢和ss316l丝束电极暴露于模拟扩散腐蚀环境(具有扩散诱导离子浓度梯度)进行相关测试。低碳钢丝束电极的特征图形显示沿电极边缘有较高的阴极电流，其幅度以轮廓状方式向wbe表面中心降低，这揭示了一种受氧浓度控制的腐蚀行为；这项试验直接证明了wbe方法在研究与离子迁移相关的腐蚀过程中的适用性。