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在發(fā)展中求生存,不斷完善,以良好信譽(yù)和科學(xué)的管理促進(jìn)企業(yè)迅速發(fā)展基本定義
Tafel極化法是一種能夠獲得體系相對(duì)應(yīng)的電化學(xué)信號(hào)的測(cè)試方法,即按照給定的階躍時(shí)間與階躍高度使用一個(gè)非常慢的掃描速度,在一個(gè)以開路電位為中心的,接近對(duì)稱的電勢(shì)范圍內(nèi)從起始電位掃描到最終電位,從而得到電化學(xué)體系穩(wěn)態(tài)電流隨著電勢(shì)變化的腐蝕技術(shù)。
Tafel極化法測(cè)試的基本原理
由于Tafel的掃描速度非常慢,在電化學(xué)體系中也不斷地發(fā)生氧化還原反應(yīng),當(dāng)掃描電勢(shì)小于自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候(Tafel陰極部分),外加電勢(shì)對(duì)于測(cè)試工作電極來說是一個(gè)保護(hù),這時(shí)候在工作電極上是富電子,會(huì)電解腐蝕環(huán)境(如果是鹽水,就是電解水反應(yīng))。在當(dāng)掃描電勢(shì)大于自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候(Tafel陽極部分),外加電勢(shì)對(duì)于測(cè)試工作電極來說是一個(gè)破壞,這時(shí)候在工作電極上是缺電子,會(huì)腐蝕工作電極(將金屬溶解)。因此Tafel測(cè)試對(duì)電化學(xué)體系來說,其破壞性是不可逆的,多次Tafel測(cè)試會(huì)顯著地降低工作電極的耐蝕性,導(dǎo)致后期測(cè)試出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤。[1]
電化學(xué)的響應(yīng)電流本質(zhì)上是一種反應(yīng)速率的體現(xiàn),電流越大,證明該電壓下的電化學(xué)反應(yīng)越劇烈,在界面上電解腐蝕環(huán)境。但反應(yīng)速率的增加不是無限的,會(huì)受到反應(yīng)物濃度的減少和產(chǎn)物濃度的增加的阻礙。
電化學(xué)鈍化時(shí)的電位電流變化過程
Tafel極化曲線可分為活性溶解區(qū)、過渡鈍化區(qū)、穩(wěn)定鈍化區(qū)和過鈍化區(qū)四個(gè)區(qū),也可分為線性區(qū)、弱極化區(qū)和強(qiáng)極化區(qū)。其中強(qiáng)極化區(qū)的一段曲線(E-logi)在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系,常用來計(jì)算Tafel常數(shù)以及腐蝕速率。
在陽極極化中當(dāng)電勢(shì)開始慢慢向正方向變化的時(shí)候(相對(duì)自腐蝕電勢(shì)的差距變小,專業(yè)上叫電荷轉(zhuǎn)移過電壓或活化過電壓η),假設(shè)電化學(xué)體系的有效阻抗大小不變,工作電極體系內(nèi)部對(duì)于電勢(shì)的響應(yīng)開始增加,能用于界面的電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際電勢(shì)變小,宏觀表現(xiàn)為電流就越小。
對(duì)于通常的金屬體系陽極極化變化過程如下:
a、當(dāng)電勢(shì)達(dá)到自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候,工作電極分配了幾乎所有的電勢(shì),電流出現(xiàn)最小值。
b、超過自腐蝕電勢(shì),電勢(shì)開始慢慢向負(fù)方向變化,這時(shí)候的工作電極開始溶出、氧化反應(yīng),所以自腐蝕電勢(shì)越負(fù),工作電極缺電子的情況越明顯,溶出就會(huì)加快,表現(xiàn)為電流的增加。
c、當(dāng)電化學(xué)體系金屬離子的濃度高到一定程度的時(shí)候,電流就不再升高,這時(shí)候工作電子的缺電子情況會(huì)導(dǎo)致工作電極只能通過將現(xiàn)有的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí)氧化,也就是表面鈍化,形成一個(gè)較好的防腐蝕涂層。
d、當(dāng)鈍化達(dá)到一定地方的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致體系從導(dǎo)電性良好的導(dǎo)體情況變成了導(dǎo)電性較差的半導(dǎo)體情況,表現(xiàn)為電流的再次下降,但是電勢(shì)還是不停地遠(yuǎn)離自腐蝕電勢(shì)的方向開始變化,也就是電勢(shì)-自腐蝕電勢(shì)差變大,當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到一定的大小之后,會(huì)擊穿半導(dǎo)體鈍化膜,工作電極直接面對(duì)腐蝕環(huán)境,又重新開始新的自腐蝕電勢(shì)的循環(huán)(從陰極半極開始)。
e、循環(huán)不斷地發(fā)生,會(huì)導(dǎo)致每次新的自腐蝕電勢(shì)對(duì)應(yīng)的最.低電流變大。這是因?yàn)楦g從表面開始進(jìn)入工作電極的內(nèi)部(晶間腐蝕)。
f、最終的結(jié)果是電勢(shì)變得非常大,消耗很多的電能,同時(shí)工作電極的強(qiáng)度也會(huì)不斷下降。
應(yīng)用范圍和特點(diǎn)
Tafel極化法廣泛應(yīng)用于研究金屬的陽極極化腐蝕體系,是一種快速而有效的腐蝕電流速率測(cè)試方法,該方法是以過電勢(shì)很小時(shí)( η<10mV),過電勢(shì)與極化電流呈線性關(guān)系為理論依據(jù)的,可快速測(cè)出金屬的腐蝕速率[2]。此法快速省時(shí),適用于金屬均勻腐蝕的測(cè)量,塔菲爾極化法也常用于分析評(píng)估燃料電池性能,電極催化活性,比較生物的電荷傳遞速率等方面。
Tafel極化法的激勵(lì)信號(hào)
參數(shù) | 一般實(shí)驗(yàn)應(yīng)用范圍 | 描述 |
最初電位(V) | -5~5 | 掃描的開始電位 |
最終電位(V) | -5~5 | 掃描的終止電位 |
階躍高度(mV) | 2~20 | 電位階躍幅值 |
階躍時(shí)間(s) | 0.01~10 | 電位階躍時(shí)間 |
掃描速率(mV/s) | 1~10 | 電位掃描速率 |
E濾波(Hz) | 100~1K | 電壓噪聲濾波 |
I濾波(Hz) | 100~1K | 電流噪聲濾波 |
Tafel極化法的激勵(lì)信號(hào)圖
Tafel極化法在腐蝕分析中的應(yīng)用
塔菲爾(Tafel)線外推法是一種測(cè)定腐蝕速率的方法。做法是將金屬樣品制成電極浸入腐蝕介質(zhì)中,測(cè)量穩(wěn)態(tài)的伏安(E~i)數(shù)據(jù),作logi~E圖,將陰、陽極極化曲線的直線部分延長,所得交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為logicorr,由腐蝕電流icorr除以事先精確測(cè)量的樣品面積S0,即得腐蝕電流密度[1],再通過法拉第定律將電流和質(zhì)量聯(lián)系在一起計(jì)算出腐蝕速率:
Q=nFM
式中 Q--反應(yīng)產(chǎn)生的電量;
n--電荷轉(zhuǎn)移數(shù);
F--法拉第常數(shù);
M--反應(yīng)物物質(zhì)的量。
其中,M=W/EW,代入上式得到:
W= EW×Q/F
W是反應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量;
EW 為當(dāng)量質(zhì)量。
注意:這一計(jì)算方法只適用于均勻腐蝕,當(dāng)產(chǎn)生局部腐蝕時(shí),這一方法得到的結(jié)果會(huì)大大低估實(shí)際情況。
對(duì)于復(fù)雜合金發(fā)生均勻溶解時(shí),當(dāng)量是每個(gè)合金成分當(dāng)量的平均值。摩爾分?jǐn)?shù)作為權(quán)重因子,而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如果發(fā)生不均勻溶解,可通過檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物來計(jì)算當(dāng)量。
將電化學(xué)法測(cè)量得到的腐蝕電流通過簡單的換算得到失重法測(cè)量的金屬腐蝕速度。此時(shí),需要知道密度ρ,試樣面積S。電量Q可通過Q=It 得到,t是時(shí)間;I是電流。代入法拉第常數(shù)。則將上式變?yōu)椋?/span>
CR=icorrK×EW/ρS
式中,CR為腐蝕速度,mm/a;icorr為腐蝕電流,A;K為常數(shù);EW 為當(dāng)量質(zhì)量,g/eq;ρ為密度,g/cm3;S為面積,cm2。
詳細(xì)測(cè)試方法可以參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G102。
Tafel極化法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
1、Tafel極化法在研究銀絲腐蝕時(shí)的應(yīng)用
樣品前處理:準(zhǔn)備一個(gè)直徑為0.1cm 圓柱體的銀絲樣品,截取長度9cm,在測(cè)試前先使用丙酮對(duì)其超聲5min除油,之后用1M的HNO3活化1 min,最后用去離子水沖洗后浸入電解質(zhì)4cm進(jìn)行測(cè)試,工作面積為1.26 cm2。
電解質(zhì)體系:中性鍍銀液;WE+SE短接-銀絲;RE-SCE;CE-Pt絲
基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù):最初電位:-0.3V;最終電位:0.8V;階躍高度:0.1mV;階躍時(shí)間:0.1 s
DH7000 銀絲Tafel
2、Tafel極化法在研究黃銅腐蝕時(shí)的應(yīng)用
樣品前處理:準(zhǔn)備一個(gè)邊長為1.0 cm的正方形黃銅片,背面焊接一根銅導(dǎo)線作為外引接線,非工作面及導(dǎo)線裸露部分均用環(huán)氧樹脂密封固化用萬用表測(cè)試樣品焊接點(diǎn)可正常導(dǎo)通后[3],將工作面依次用顆粒度為1500、2000、3000和5000目的砂紙進(jìn)行打磨,用去離子水超聲5min進(jìn)行清洗,最后用去離子水沖洗后進(jìn)行測(cè)試,工作面積為1.00 cm2。
電解質(zhì)體系:3.5wt% NaCl溶液;WE+SE短接-黃銅;RE-SCE;CE-Pt絲
基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù):最初電位:-0.55 V;最終電位:0.45 V;階躍高度:0.1 mV;階躍時(shí)間:0.1 s
DH7000 黃銅 Tafel
3、Tafel極化法在研究玻碳電極在ZHL-02鍍銀液中腐蝕時(shí)的應(yīng)用
樣品前處理:準(zhǔn)備一根直徑為0.8mm的玻碳電極,在測(cè)試前先使用三氧化二鋁粉對(duì)其進(jìn)行機(jī)械打磨,然后用去離子水沖洗后浸入電解質(zhì)中進(jìn)行測(cè)試,工作面積為 0.50 mm2。
電解質(zhì)體系:ZHL-02鍍銀液;WE+SE短接- GCE;RE-SCE;CE-Pt絲
基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù):最初電位:-0.5 V;最終電位:0.3 V;階躍高度:2.5 mV;階躍時(shí)間:1.25s
DH7000 玻碳電極Tafel
總結(jié)
Tafel極化法是一種常用于腐蝕體系中的電化學(xué)方法,該方法快速有效。腐蝕電勢(shì)的大小可以反映陽極發(fā)生腐蝕的難易程度,腐蝕電勢(shì)越大表明陽極越難被腐蝕[5]。腐蝕電流密度的大小可以反映陽極發(fā)生腐蝕時(shí)的實(shí)際腐蝕速率,腐蝕電流密度越小表明陽極發(fā)生腐蝕行為時(shí)的腐蝕速率越低,陽極的耐腐蝕性越好 [6]。
參考文獻(xiàn)
[1]CSDN博主的原創(chuàng)文章,遵循CC 4.0 BY-SA版權(quán)協(xié)議,原文鏈接://blog.csdn./drbingibng/article/details/ 113129783
[2] 電化學(xué)腐蝕行為[J].工業(yè)科技,2009,38( 1) : 69-71.
[3] 杜俊賢,胡松江,邢遠(yuǎn)等. 基于Tafel-極化曲線法的常用金屬接地材料腐蝕行為研究[J].工程與試驗(yàn),2021,61(1):35-37.
[4] 李伊陽,徐瑞東,于伯浩等.CeO2顆粒改性PbO2-MnO2復(fù)合惰性陽極的電化學(xué)性能[J].文.山學(xué)院學(xué)報(bào),2018,31(3):19-22.
[5] 甘章華,熊梅,張思等. 錫對(duì) AlMgZnSnx 多組元合金自腐蝕電位的影響 [J]. 腐蝕與防護(hù),2014(7):668-670.
[6] 李曉艷,李明照,范劉群等. Mn 對(duì) AZ91 合金耐蝕性能的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程,2014(2):278-282.
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