能帮助我们“看到”腐蚀电流的“显微镜”

2022-04-17 13:42

王斯琰
中北大学

金属作为各种结构和功能材料,在我们身边被广泛地使用着,而它的腐蚀总会给我们的生活带来诸多不便:一个被腐蚀的井盖充满了安全隐患;一枚生锈的齿轮让机械设备的运转不再灵活;一把腐蚀了的菜刀失去了它锋利的刀刃;一列生锈的火车最终缓缓停下了它前进的车轮……因此,了解、认识金属的腐蚀对我们非常重要。


电化学腐蚀是我们生产生活中最常见的金属腐蚀形式。金属在发生电化学腐蚀的过程中会产生腐蚀电流。大家在生活中使用的电池利用正是金属腐蚀的这一原理。举个例子,当我们把一根铁棒和一根铜棒同时放入硫酸溶液中,并用导线连接起来时,铁棒上的电子就会立刻马不停蹄地跑到铜棒上,而失去电子的铁棒自身发生了腐蚀。在这一过程中,电子的定向移动产生了电流。这里,虽然铁棒被腐蚀了,但是它源源不断地提供了电流来为我们启动电视空调的遥控器、转动闹钟的指针、唤醒会眨眼会叫的小狗玩具。这个电流就是腐蚀电流,我们可以通过电流表来测量这个腐蚀电流的大小:电流表示数越大,表明铁棒的腐蚀越快。因此,科研工作者们常常通过测量腐蚀电流的大小来了解金属腐蚀的快慢。


电流表可以测得一块正在腐蚀的金属表面整体的腐蚀电流大小。但是大多情况下,在金属表面不同的位置,其腐蚀速度是不同的。特别是当金属表面发生局部腐蚀时,即,金属表面有些位置发生腐蚀,有些位置不发生腐蚀;发生腐蚀的位置其腐蚀极快,其腐蚀速度远大于比不发生腐蚀的位置。这样,用一块简单的电流表测出来的是金属表面整体的腐蚀电流大小,并不能不能代表局部腐蚀的速度大小,而局部位置的腐蚀往往能够造成严重的工程事故。这样,科研工作者们为了观察局部位置的腐蚀电流,发明了一种可以“看到”腐蚀电流的“显微镜”——扫描振动电极技术(SVET)。

扫描振动电极技术(SVET)这台“显微镜”是如何“看到”金属表面的腐蚀电流呢?下图中是SVET的照片,它是由上方的观察系统和下方的电流探测系统和步进电机组成的。上方的观察系统的主要由一个光学显微镜组成,它可以观察并定位要进行测试的腐蚀区域。下方的电流测试系统主要由一根发丝般粗细的铂铱合金探针插入腐蚀溶液中,通过振动搜集金属表面某一点的电流信号。步进电机能够精确控制探针的运动,完成对金属表面的电流信号的逐点扫描。计算机将金属表面每一点的电流大小进行记录并绘图,就得到了一张金属表面腐蚀电流的“照片”。


最后,让我们看看用这样的“显微镜”“看到”的腐蚀电流是什么样的。下图中左图是一个通过SVET的观察系统看到的金属腐蚀的光学照片,可以看到图中左下角有一个发生明显腐蚀的区域。下图中右图就是通过SVET“看到的”这个腐蚀金属的表面腐蚀电流。在腐蚀对应的位置,我们可以看到一个明显的红色区域,这个区域的腐蚀电流远高于金属表面其它位置,是一个强烈腐蚀的区域。这样,我们通过SVET不仅能看到金属表面发生局部腐蚀的位置,还可以“看到”这个位置的腐蚀电流大小,得到这个位置的腐蚀速度。


随着SVET被越来越多腐蚀工作者所熟知,SVET的应用由早期金属腐蚀机理的探讨,扩展到新型智能涂层和绿色缓蚀剂等多个腐蚀领域的研究中,并获得了常规观测手段所不能获得的腐蚀重要数据。