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海水全浸下碳钢表面电化学状态分布特征研究

作　者: 郑莹莹
导　师: 王佳
学　校: 中国海洋大学
专　业: 应用化学
关键词: 碳钢阵列电极电位/电流分布扫描微电极技术红外光谱锈层
分类号: TG172.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

腐蚀产物覆盖下金属的腐蚀行为是一个复杂的电化学过程,金属表面电化学不均一性是影响金属腐蚀行为及腐蚀速度的重要因素。经典电化学方法在金属腐蚀研究中仅能获得金属表面平均电化学信息,很难得到腐蚀界面微区的阴极和阳极电化学分布特征。而表面电位及电流分布是研究腐蚀电化学微区特征的重要参数,因此本论文采用扫描微电极技术及新型阵列电极技术研究了海水中碳钢腐蚀过程的电位及电流分布,结果表明虽然海水全浸环境中碳钢表面电化学状态分布不均匀,但是其表面电位及电流呈现一定的时空分布特征：当水平浸泡时,阳极区主要分布在中间,而阴极区分布在电极边缘,呈现包围分布的特征；垂直浸泡初期,阴极区主要分布在电极上端,随着时间增长表面电位逐渐正移,5周后电极底端成为主要的阴极区。本文还探讨了形成这种分布特征的原因：当水平浸泡时,海水中的溶解氧较容易扩散到电极边缘,使得电极周边溶解氧浓度远远大于中间部位,发生溶解氧还原反应,形成阴极区,从而导致了阴阳极包围分布的特征；当竖直浸泡时,初期由于氧浓差的存在使得电极顶端形成阴极区,但是为何阴极区随时间增长转移到电极底端,研究仍在进行之中。由于电极表面电位差是腐蚀过程的驱动力,本文在测试表面电位分布的同时发现碳钢表面电位随浸泡时间增长趋于正移并逐渐稳定,而阴阳极电位差也呈现逐渐减小的趋势,表明金属腐蚀速度逐渐稳定。腐蚀产物的存在严重地影响金属的腐蚀速率,因此本文研究了腐蚀产物在金属表面的分布特征和结构特征,研究表明碳钢在海水中浸泡一段时间(约8周)后锈层开始分为外锈层和内锈层：外锈层棕黄色,疏松多孔,主要由γ-FeOOH构成,并且随着时间增长锈层成分变化不大；内锈层为黑色,较致密,紧密附着于金属表面,其成分随时间增长变化很大,其中γ-FeOOH的量开始减少甚至消失,而β-FeOOH, Fe3O4的含量逐渐超过了γ-FeOOH,并且随着时间增长而增多。随着浸泡时间增长,内锈层逐渐增厚,而外锈层逐渐减薄。文章还探讨了腐蚀产物分布与电位分布的相关性,证实了腐蚀产物分布与表面电位分布特征存在着必然的联系：阴极区的腐蚀产物主要为β-FeOOH和Fe304,阳极区的腐蚀产物主要为γ-FeOOH和α-FeOOH。通过对碳钢电极表面的电化学不均匀性进行研究发现其阴阳极分布呈现一定的规律性,并且这种规律影响了表面腐蚀产物的形成,导致表面锈层成分产生差异,研究结果还证实了整体电极的电化学性质及表面腐蚀产物的形成与电位分布特征存在相关性,对于金属电化学腐蚀机理的研究有着重要的意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
0 前言  11-12
1 绪论  12-29
  1.1 海洋环境中锈层下碳钢腐蚀行为的研究进展  12-19
    1.1.1 碳钢腐蚀行为  12-15
    1.1.2 腐蚀产物的性质以及对整个腐蚀过程的影响  15
    1.1.3 影响金属腐蚀速率的因素  15-19
  1.2 金属腐蚀的电化学行为  19-24
    1.2.1 锈层的电化学还原性及锈层的形成、转化机理  19-21
    1.2.2 金属表面电化学活性分析  21-24
  1.3 腐蚀电化学体系电位和电流分布测量方法近况  24-27
    1.3.1 Kelvin探针技术  25
    1.3.2 扫描微电极技术  25-26
    1.3.3 阵列电极技术  26
    1.3.4 扫描振动参比电极技术  26-27
    1.3.5 扫描电化学显微镜技术  27
  1.4 课题研究意义及研究内容  27-29
2 碳钢电极表面腐蚀形貌及电位分布测试  29-45
  2.1 前言  29
  2.2 实验方法  29-32
    2.2.1 实验试样的制备  29-31
    2.2.2 实验装置  31-32
  2.3 结果与讨论  32-43
    2.3.1 水平放置  32-36
    2.3.2 垂直放置  36-39
    2.3.3 影响电位分布的条件  39-43
      2.3.3.1 电极形状、尺寸  39-40
      2.3.3.2 海水流速  40-41
      2.3.3.3 浸泡深度  41-42
      2.3.3.4 浸泡角度  42
      2.3.3.5 电极表面粗糙度  42-43
  2.4 本章小结  43-45
3 阵列电极表面电位及电流分布研究  45-56
  3.1 前言  45-46
  3.2 实验方法  46-49
    3.2.1 实验材料  46
    3.2.2 实验装置  46-49
  3.3 结果与讨论  49-55
    3.3.1 水平浸泡时碳钢腐蚀形貌、表面电位及电流分布  49-51
    3.3.2 竖直浸泡时碳钢腐蚀形貌、表面电位及电流分布  51-55
  3.4 本章小结  55-56
4 海水中碳钢表面腐蚀产物分布特征  56-67
  4.1 前言  56
  4.2 实验方法  56-57
    4.2.1 实验材料的制备  56-57
    4.2.2 实验装置  57
  4.3 结果与讨论  57-66
    4.3.1 碳钢表面腐蚀产物形貌及结构分析  57-61
    4.3.2 碳钢浸泡初期表面腐蚀产物分布和腐蚀电位分布相关性  61-66
  4.4 本章小结  66-67
5 结论  67-68
6 工作展望  68-69
参考文献  69-76
致谢  76-77
个人简历  77
发表的学术论文  77

海水全浸下碳钢表面电化学状态分布特征研究

内容摘要

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