一种监测金属表面腐蚀行为的电化学装置的制作方法

1.本实用新型属于电化学微观测试领域，更具体地说，涉及一种监测金属表面腐蚀行为的电化学装置。


背景技术：

2.电化学测试作为应用范围最广泛的评价材料耐蚀性的方法，这其中主要包括开路电位-时间(ocp)，电化学阻抗法(交流阻抗eis)，电极电位法(ep)，动电位极化曲线(tafel)和电化学噪声(en)等。然而，传统的电化学测试更多的是采集试样表面整体的，平均的电化学信息，这就不可避免的降低了对试样表面局部电化学信息采集的敏感性及准确性。事实上，金属材料的腐蚀往往不是一蹴而就的，而是从某一处局部开始腐蚀，随时间进而整体劣化失效的过程。
3.阵列电极，也称为丝束电极(wire beam electrode，wbe)，它是由上百根金属丝按10
×
10，11
×
11或更多阵列形式进行排布，其中每个金属丝互不相连彼此绝缘，这样就保证了每根金属丝相对于饱和甘汞电极的表面电位以及电流均可被测量得到，因此，宏观上就可以得到阵列电极表面整体的电位电流分布信息。同时结合微积分的思想，由于单根丝的表面积只能占整个阵列电极的总的工作端面积的百分之一，并且本身几何尺寸也很微小(通常直径1.5mm)，因此是可以认为在单根丝的表面发生的电化学过程是均匀的，即发生均匀腐蚀，利用众多的金属微电极就可以模拟传统单个大电极，区别于传统电极只能得到单位面积的平均电化学信息，其优势在于能够提供电极表面各个位置局部的电化学参数的变化。因此，阵列电极对于金属的局部腐蚀检测有极其重要的意义同时也是非常有效的检测手段。相比传统电极不仅能提供总体电化学参数还能测出不同位置电位、电流密度分布及差异等信息，通过与动电位极化曲线，交流阻抗，电化学噪声等方法结合使用更加扩大其使用范围。
4.近几年也有学者将丝束电极技术发展到作为探针对农药进行检测以及涂层的研究中。将有机分子膜均匀的涂在丝束电极表面，在每个电极上施加相同的电信号，从而获得不同部位的电化学参数，实现对农药残余快速、定性评价。黄福川在研究防锈剂的添加量对防锈油膜不稳定性的影响中也应用到丝束电极能够测量区间电位分布不均匀性的特点。
5.中国专利公开号cn107860707a公开了利用丝束电极表征铝合金表面微区电偶腐蚀非均匀性的方法。该专利申请的技术方案是在溶液中进行测试的，但是溶液中并不能很好的模拟出两种金属材料(两种金属材料为相同的材料或不同的材料制成)间的缝隙腐蚀、电偶腐蚀行为，此外溶液中的物质过于复杂，会对电化学信号产生一定的干扰，继而引起偏差，导致测量数据不够准确。
6.因此，很有必要提供一种能模拟两种金属材料之间的金属表面腐蚀行为的电化学装置。


技术实现要素：

7.本实用新型的目的是提供一种监测金属表面腐蚀行为的电化学装置，该电化学装置能够有效模拟金属材料缝隙腐蚀、电偶腐蚀行为，具有等效，快速，高效的优点。
8.本实用新型是采用如下技术方案来实现上述目的：
9.一种监测金属表面腐蚀行为的电化学装置，该电化学装置包括：
10.丝束电极，其用作工作电极，包括工作端面和非工作端面，工作端面用于模拟整个金属表面的腐蚀情况，非工作端面焊接有绝缘导线，
11.饱和甘汞电极，其用作参比电极，
12.微孔滤膜，
13.金属基体，和
14.数据采集和处理单元，其用于对丝束电极的工作端面进行电位/电流扫描并对该电位/电流数据进行处理，
15.微孔滤膜用于铺设在金属基体上，配合腐蚀溶液形成腐蚀环境，丝束电极和参比电极分别独立地放置微孔滤膜上。
16.优选地，上述电化学装置还包括容器，用于容纳所述腐蚀溶液。
17.优选地，上述丝束电极中包括50～200根金属丝。
18.优选地，每根金属丝的直径为1～2mm。
19.优选地，每根金属丝除两端以外均有绝缘层包覆，并且固化排列成阵列。
20.优选地，上述阵列的截面是正面形，被固化后形成丝束电极的截面是圆形的。
21.优选地，上述微孔滤膜的材料的孔隙半径为0.1～0.4μm，厚度为0.5～0.8mm。
22.优选地，上述金属基体为圆柱体形状。
23.优选地，上述微孔滤膜与所述金属基体的底面的形状和面积相同。
24.优选地，上述数据采集和处理单元包括阵列丝束电极电位电流扫描仪和控制器。阵列丝束电极电位电流扫描仪用于对丝束电极的工作端面的表面电位/电流进行扫描，控制器用于控制对阵列丝束电极电位电流扫描仪的运行，并对电位/电流数据进行处理。
25.本实用新型的监测金属表面腐蚀行为的电化学装置通过构建薄液膜测试体系能够精准地捕捉金属表面的电位电流的分布信息，准确地评价金属材料表面各个部分之间的耐蚀性差异，相比于传统电化学装置能够更加灵敏的分析金属缝隙腐蚀、电偶腐蚀行为的差异。
26.本实用新型的电化学装置可以用于模拟检测汽车内部搭接件，比如螺栓螺母这样的部件，之间的腐蚀现象。这是由于这些部位会采用不同金属材料或相同金属材料制备，电偶腐蚀现象频发，但是又不容易检测。本实用新型的电化学装置能够很好的从机理上模拟研究此类腐蚀，提供理论依据。
附图说明
27.图1是本实用新型的监测金属表面腐蚀行为的电化学装置的一个实施例。其中，1表示金属基体，2表示微孔滤膜(其被腐蚀溶液湿润后形成薄液膜)，3表示丝束电极(用作工作电极)，4表示饱和甘汞电极(用作参比电极)，5表示控制器，6表示阵列丝束电极电位电流扫描仪，7表示容器。
28.图2是图1的电化学装置的丝束电极的结构示意图，其中3’表示工作端面，3”表示非工作端面，31表示从非工作端面引出的绝缘导线。
29.图3是图1的电化学装置的丝束电极、参比电极和微孔滤膜的接触处的截面图。其中2表示微孔滤膜，3’表示工作端面(该工作端面中间正方形是金属丝阵列截面)，4’表示饱和甘汞电极的工作端。
具体实施方式
30.本实用新型的描述中，丝束电极可以市售可得，可以按照现有技术中常规的方法制备。在本使用新型的一个具体实施方式中，丝束电极制作方法为：(1)取直径1.5mm的金属丝100根，分别用200#、600#、800#、1000#、2000#砂纸依次打磨，再用丙酮和乙醇清洗，丙酮超声：试样经目视检查，符合要求(表面平整光滑，肉眼观察无残留杂志，有金属光泽)后用清水冲洗后，冷风吹干，然后马上放入丙酮中进行超声清洗，超声清洗时间不超过30s；用绝缘漆浸渍金属丝，到达绝缘良好并防止缝隙腐蚀的效果(放大800倍观测没有孔洞及裂纹)，金属丝的两个端面为非绝缘表面，分别作为非工作端面和工作端面；(2)将上述金属丝排列成密集阵列，利用环氧树脂固化，固化后的阵列中每根金属丝的非工作端面分别焊接绝缘铜导线后引出，其工作端面依次用200#、600#、800#、1000#、2000#砂纸逐级打磨干净，无水乙醇和蒸馏水清洗后放入干燥器待用。
31.本实用新型的描述中，丝束电极与金属基体的材料各自选自铜、铜合金、铝、铝合金、铁、铁合金、钛、钛合金、镍、镍合金、高熵合金。丝束电极与金属基体的材料可以相同也可以不同。
32.本实用新型的描述中，腐蚀溶液滴加在微孔滤膜上，然后渗透到微孔滤膜中，与微孔滤膜形成薄液膜，用作腐蚀介质。腐蚀溶液包括但不局限于质量浓度为0.5～5.0％的nacl水溶液，
33.本实用新型的描述中，微孔滤膜为尼龙材质，孔隙半径为0.1～0.4μm，厚度为0.5～0.8mm。在本实用新型的一个具体实施方式中，微孔滤膜的厚度为δ＝0.5mm。腐蚀溶液在微孔滤膜上的添加量通常为1～2ml/cm2。在微孔滤膜上滴加腐蚀溶液以后，腐蚀溶液会缓慢渗透整个微孔滤膜，这样，微孔滤膜将放置在其上的丝束电极，参比电极，金属基体连接形成电流导通回路，模拟构造出不同金属之间发生缝隙腐蚀、电偶腐蚀的实际情况。
34.本实用新型的描述中，数据采集和处理也可以使用本领域常用的电位、电流数据采集和处理装置。
35.下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。具体实施例是在以本实用新型技术方案为前提下进行实施的，给出了详细的实施方式和操作过程。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。
36.实施例1
37.如图1所示，在本实施例中，监测金属表面腐蚀行为的电化学装置包括圆柱体形状的金属基体1，微孔滤膜2、丝束电极3，饱和甘汞电极4、控制器5，阵列丝束电极电位电流扫描仪6以及容器7。
38.丝束电极3用作工作电极，包括工作端面3’和非工作端面3”，工作端面3’是非绝缘的裸露的金属丝截面，用于模拟整个金属表面的腐蚀情况，非工作端面3”焊接有多根绝缘
导线31，其中每根金属丝连接一根绝缘导线(参见图2)。
39.丝束电极3由多个根金属丝制成，每根金属丝除其两个端面之外用绝缘层包覆，然后固化成阵列。丝束电极3的整体横截面的圆形的，其中的金属丝阵列的截面是正方形的(即，原点组成的正方形)(参见图3)。
40.微孔滤膜2铺设在圆柱体形状的金属基体1的底面上，配合腐蚀溶液形成腐蚀环境(将腐蚀溶液滴加到微孔滤膜)，丝束电极3和参比电极4分别放置微孔滤膜上，通常，丝束电极3位于微孔滤膜的正中间，参比电极4位于丝束电极3的旁边，间隔一小段距离。
41.阵列丝束电极电位电流扫描仪6的作用是对丝束电极3的工作端面3’的表面电位/电流进行扫描。
42.控制器5分别与饱和甘汞电极4以及阵列丝束电极电位电流扫描仪6导线连接，其作用是控制阵列丝束电极电位电流扫描仪6的运行，并对阵列丝束电极电位电流扫描仪6得到的丝束电极3的工作端面的表面电位/电流数据进行处理。
43.在本实施例中，容器6是瓶子，容纳配制好的腐蚀溶液。
44.工作时，利用阵列丝束电极电位电流扫描仪6进行丝束电极3的工作端面3’的表面电位/电流扫描，由控制器控制循环测量组成丝束电极的各金属丝的开路电位以及偶接电流。例如，控制器控制10～20min进行一次表面电位与电流的全扫描；表面电位扫描通过逐一测量丝束电极中的单根金属丝电极的相对饱和甘汞电极的开路电位，表面电流扫描则通过零阻电流计测量任一单金属丝电极wj与其余99根相互短接的金属丝电极所形成的整体电极wr之间的偶接电流，其中j＝1-100，j为丝束电极中的单根金属丝电极的序数；采用电化学阻抗谱，控制激励正弦波幅值为5～20mv，于开路电位下进行扫频范围为100khz-0.01hz。得到丝束电极的工作端面的表面电位/电流信息，包括电荷转移电阻、平均腐蚀电流密度、平均腐蚀电位和被腐蚀电极数的，进而根据该表面电位/电流信息判断工作端面的腐蚀情况。
45.以上所述的仅为本实用新型的较佳实施例，并非用以限定本实用新型的范围，本实用新型的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本实用新型申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本实用新型专利的权利要求保护范围。本实用新型未详尽描述的均为常规技术内容。