一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法及所用的裝置的製作方法

2024-02-21 07:13:15

專利名稱：一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法及所用的裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於測量領域，尤其涉及一種用電的方法測試或分析材料的方法和裝置。
背景技術：
電化學體系中，當外加電流通過電極(electrode)時，電極電勢偏離平衡電極電 勢的現象稱為電極的極化。
在電極的極化引發的電極反應中，電極電位隨電流密度變化的關係曲線，稱為極 化曲線(polarization curve)。它的測量和研究是電極反應動力學的重要內容，其結果 也是電化學過程控制的重要依據。此外，極化曲線的測定除應用於金屬防腐蝕和材料 的環境適應性等研究之外，在電鍍行業中也有重要應用。
由於在兩電極體系中，電流發生變化時，陰、陽兩電極的電極電勢均發生變化， 故不能用兩電極體系法測定極化曲線。
所以，現行之極化曲線測量均採用三電極體系(即工作電極、輔助電極和參比電 極)，其中，待測之金屬材料構成工作電極(working electrode,簡稱WE);與工作電極 構成電流迴路、以形成對研究電極極化的電極稱為輔助電極(counter electrode,簡稱 CE);參比電極(reference electrode,簡稱RE)是測量研究電極電勢的比較標準，與研 究電極組成測量電池。
將三電極體系及極化曲線測量技術應用到金屬腐蝕的研究中，對環境試驗中腐蝕 的電化學研究測試帶來了突破性進展，可對薄液層乃至吸附液層下的金屬進行電化學
測量，得到薄液膜下的金屬的電極電位及金屬在較薄液膜下的曲線，進而研究金屬的 大氣腐蝕規律，從而克服了常規電化學方法在大氣腐蝕研究中受到的限制。
薄液層下金屬極化曲線的測定對研究金屬耐大氣環境腐蝕作用具有重要意義。 當工作電極表面的液層厚度在100微米以上時，可使用傳統的埋藏式三電極方法 測定極化曲線(參見Cheng Y L， Zhang Z, Cao F H, et al "A study of the corrosion of aluminum alloy 2024-T3 under thin electrolyte layers", Corrosion Science, 2004， 46(7): 1649-1667.)，但液層在100微米以下時，三電極之間的溶液電阻會嚴重影響極化曲線 的測定結果，甚至使測定結果嚴重失真。
公告日為2001年5月9日、公告號為CN 2429828Y的中國專利"電極電位智能 測量儀"和公告日為2002年1月30日、公告號為CN2475033Y的中國專利"一種電解 池"，前者提出了以單片機為核心，採用曲線擬合方法，直接推算出消除^降的電極 電位值，後者通過設置精確位移調節器，保持一隻參比電極距試樣表面的距離是另一 只參比電極距試樣表面距離的2倍，由此消除介質電阻以獲得真實的極化曲線。上述 技術方案的發明目的都是為消除電化學參數測量時的介質電阻對測量結果的影響，但 是，由於其仍然採用傳統的"三電極"測量體系，故不適用於在液膜厚度小於100微米 時進行的相應測定工作。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法及所 用的裝置，其測量電極組採用非接觸式電極加輔助電極的結構，解決了現有"三電極"
之間的溶液電阻IR會嚴重影響極化曲線測定結果的問題，對測量體系的電化學行為沒
有幹擾，可準確測定1微米 300微米間液層厚度下金屬的極化曲線。
本發明的技術方案是提供一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法，其特徵是-
(1) 將一個工作電極通過導線連接到恆電位儀的工作電極輸入端w，將兩個
輔助電極通過導線分別與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R對應連接；
(2) 在電解池上方設置一個大氣腐蝕電位非接觸測量裝置；
(3) 通過調節工作電極表面上的溶液量，控制工作電極表面的液膜厚度至所
需值；
(4) 用恆電位儀進行恆電流極化；
(5) 同時用大氣腐蝕電位非接觸測量裝置測定工作電極的電位，獲得極化曲 線上的一個極化狀態點；
(6) 改變極化電流密度，重複上述(4) (5)步驟；
(7) 每改變一次極化電流密度後立即測定工作電極的電位，並獲得一個極化
狀態點；
(8) 將上述獲得的多個極化狀態數據點平滑連接，繪製出極化曲線。 具體的，所述之工作電極表面的液膜厚度最少為l微米。 其大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的探頭設置在工作電極上方。
進一步的，所述大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭設置在工作電 極上方。 本發明還提供了一種測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，包括工作電極、輔助電 極、電解池和恆電位儀，其特徵是工作電極通過導線連接到恆電位儀的工作電極輸 入端W;設置兩個輔助電極；兩個輔助電極分別放在一個電解池內溶液槽的底部；兩 輔助電極通過導線與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R連接;在電解池上方設 置一個大氣腐蝕電位非接觸測量裝置。
其大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭設置在工作電極上方。 所述電解池之豎向斷面為"山"字形或近似"W"字形結構；工作電極設置在中間的 凸起部位；其兩側各設置一溶液槽，在溶液槽的底部分別設置一輔助電極；電解池兩 邊的頂部到底部的高度大於工作電極之上端部到底部的高度；在溶液槽中灌注/充填 有溶液。
所述溶液的液面高度大於工作電極之上端面的高度。 與現有技術比較，本發明的優點是
1. 採用非接觸式電極加輔助電極的"二電極"結構和相應之方法，測量薄液膜下金 屬材料極化曲線，避免了溶液電阻對測定的極化曲線的影響；
2. 電位測定裝置不接觸測量體系，對測量體系的電化學行為沒有幹擾；
3. 能夠測定極薄液層(最薄可達l微米)下的極化曲線，為分析大氣腐蝕作用機 理提供重要判據。


圖1為本發明的結構示意圖2為所測得的薄液層下金屬極化曲線。
圖中，l為恆電位儀，2為大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭，3 為工作電極，4為輔助電極，5為電解池，6為溶液。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步說明。
圖1中，本發明之測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，包括工作電極、輔助電極、 電解池和恆電位儀，其工作電極3通過導線連接到恆電位儀1的工作電極輸入端W; 設置兩個輔助電極4;兩個輔助電極分別放在一個電解池5內溶液槽的底部；兩輔助 電極通過導線與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R連接;在電解池上方設置一 個大氣腐蝕電位非接觸測量裝置。
其大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭2設置在工作電極上方。 所述電解池之豎向斷面為"山"字形或近似"W"字形結構；工作電極設置在中間的 凸起部位；其兩側各設置一溶液槽，在溶液槽的底部分別設置一輔助電極；電解池兩 邊的頂部到底部的高度大於工作電極之上端部到底部的高度；在溶液槽中灌注/充填 有溶液6。
所述溶液的液面高度大於工作電極之上端面的高度。
上述大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的具體內容可參見ZL03217101.3之名為"大氣 腐蝕電位非接觸測量裝置"的中國專利中所公開的相關內容，在此不再敘述。 其測定薄液層下金屬極化曲線的方法，至少包括下列步驟
(1) 將工作電極通過導線連接到恆電位儀的工作電極輸入端W，將輔助電極通 過導線分別與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R對應連接；
(2) 在電解池上方設置大氣腐蝕電位非接觸測量裝置；
(3) 通過調節工作電極表面上的溶液量，控制工作電極表面的液膜厚度至所需
值；
(4) 用恆電位儀進行恆電流i,極化；
(5) 同時用大氣腐蝕電位非接觸測量裝置測定工作電極的電位Ei ，獲得極化曲 線上的一個極化狀態點A,;
(6) 改變極化電流密度，重複上述(4) (5)步驟；
(7) 依次類推，每改變一次極化電流密度後立即測定工作電極的電位Ei ，並獲 得一個極化狀態點Ai ;
(8) 將上述獲得的多個極化狀態數據點平滑連接，繪製出極化曲線。
其中，調節工作電極表面上的溶液量，控制工作電極表面的液膜厚度至所需值的 具體方法可以參見ZL 01216631.6之名稱為"手動控制液面高度電解池"的中國專利中 所公開的相關內容，在此不再敘述。
該電解池5為有機玻璃或其他非金屬材料粘接製成。
圖2中，依次測出50微米液層厚度下8個不同極化電流密度和相應的電位值， 獲得A, Ag等8個極化狀態點，將各點平滑連接，即可繪製出相應的極化曲線。
通過使用本發明之方法和裝置，能對大氣腐蝕作用機理進行研究，評價金屬的耐 大氣腐蝕性能。
例如，根據不同液層厚度下陰極極化曲線和極限電流密度變化，得知薄液層下氧 還原反應速度在20微米液層厚度時存在一個極大值，液層過厚或過薄時陰極極限電
流密度都將降低，表明氧還原反應在20微米薄液層厚度下發生反應機理的轉變，為
分析大氣腐蝕作用機理提供了 一個重要判據。
本發明可廣泛用於各種金屬或導電材料極化曲線的獲得、金屬防腐蝕和材料的環 境適應性等研究領域。
權利要求
1.一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法，其特徵是(1)將一個工作電極通過導線連接到恆電位儀的工作電極輸入端W，將兩個輔助電極通過導線與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R連接；(2)在電解池上方設置一個大氣腐蝕電位非接觸測量裝置；(3)通過調節工作電極表面上的溶液量，控制工作電極表面的液膜厚度至所需值；(4)用恆電位儀進行恆電流極化；(5)同時用大氣腐蝕電位非接觸測量裝置測定工作電極的電位，獲得極化曲線上的一個極化狀態點；(6)改變極化電流密度，重複上述(4)～(5)步驟；(7)每改變一次極化電流密度後立即測定工作電極的電位，並獲得一個極化狀態點；(8)將上述獲得的多個極化狀態數據點平滑連接，繪製出極化曲線。
2. 按照權利要求1所述之測定薄液層下金屬極化曲線的方法，其特徵是所述之工 作電極表面的液膜厚度最少為1微米。
3. 按照權利要求1所述之測定薄液層下金屬極化曲線的方法，其特徵是所述大氣 腐蝕電位非接觸測量裝置的探頭設置在工作電極上方。
4. 按照權利要求3所述之測定薄液層下金屬極化曲線的方法，其特徵是所述大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭設置在工作電極上方。
5. —種測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，包括工作電極、輔助電極、電解池和 恆電位儀，其特徵是工作電極通過導線連接到恆電位儀的工作電極輸入端W; 設置兩個輔助電極；兩個輔助電極分別放在一個電解池內溶液槽的底部； 兩輔助電極通過導線與恆電位儀的輸入端C和參比電極輸入端R連接； 在電解池上方設置一個大氣腐蝕電位非接觸測量裝置。
6. 按照權利要求5所述的測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，其特徵是所述大氣腐蝕電位非接觸測量裝置的惰性金屬振動探頭設置在工作電極上方。
7. 按照權利要求5所述的測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，其特徵是所述電解池之豎向斷面為"山"字形或近似"W"字形結構；工作電極設置在中間的凸起部位；其 兩側各設置一溶液槽，在溶液槽的底部分別設置一輔助電極；電解池兩邊的頂部到底 部的高度大於工作電極之上端部到底部的高度；在溶液槽中灌注/充填有溶液。
8.按照權利要求5所述的測定薄液層下金屬極化曲線的裝置，其特徵是所述溶液的液面高度大於工作電極之上端面的高度。
全文摘要
一種測定薄液層下金屬極化曲線的方法及所用的裝置，屬測量領域。先通過調節工作電極表面上的溶液量，控制工作電極表面的液膜厚度至所需值，而後用恆電位儀進行恆電流極化，用大氣腐蝕電位非接觸測量裝置測定工作電極的電位，獲得極化曲線上的一個極化狀態點，每改變一次極化電流密度後立即測定工作電極的電位，並獲得一個極化狀態點，將上述獲得的多個極化狀態數據點平滑連接，繪製出極化曲線。本發明還提供了相應的測量裝置。由於測量電極組採用非接觸式電極加輔助電極的結構，解決了現有「三電極」之間的溶液電阻IR會嚴重影響極化曲線測定結果的問題，可準確測定1微米～300微米間液層厚度下金屬的極化曲線。可用於金屬防腐蝕研究領域。
文檔編號G01N27/26GK101187644SQ20061011841
公開日2008年5月28日 申請日期2006年11月17日 優先權日2006年11月17日
發明者李亞坤, 佳 王, 王印旭, 祁慶琚, 凡 胡, 陳紅星 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司;中國海洋大學