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我国电化学保护的研究进展

时间:2012-11-20 09:01:01  来源:材料腐蚀学科发展报告  作者:中国科学技术协会

        电化学保护技术是一项优异的防腐蚀新工艺,在电化学腐蚀系统中,通过施加外来电流将被保护金属的电位移向免蚀区或钝化区,以降低金属腐蚀速度的技术。电化学保护技术发展的速度很快,并广泛应用于造船、海洋工程、石油和化工等领域,成为一种标准的防腐蚀措施列入规范和法规之中。这种金属防腐方法可以分为阴极保护和阳极保护。金属防腐采用阴极保护时也会被分为两个类别,分别是牺牲阳极保护法和外加电流保护法。

        传统的牺牲阳极材料存在效率低、质量差、应用范围窄等缺点,限制着牺牲阳极材料的广泛发展。近年来,各种新型的牺牲阳极材料已经不断涌现,新型的牺牲阳极材料已经不仅仅使材料内单一元素的组合。随着研究技术的发展,新型牺牲阳极材料的研制正在向材料结构、组成、用途多元化方向拓展。目前已经研制成功并广泛应用的牺牲阳极主要有三大类:铝基牺牲阳极、镁基牺牲阳极和锌基牺牲阳极。铝基牺牲阳极是近几十年发展起来的新型牺牲阳极,与镁基牺牲阳极、锌基牺牲阳极相比,铝基牺牲阳极具有更大的电化学当量,为锌的3.6倍、镁的1.35倍,单位质量的铝基牺牲阳极可产生更多的电流,效率可高达80%,寿命长,较镁和锌具有很大的优势。铝的标准电极电位为-1.66V,比锌的负很多,远低于铁的平衡电极电位-0.44V(SHE),这一特点为铝成为牺牲阳极来保护钢铁结构免造环境介质的腐蚀提供了热力学上的可能。铝基牺牲阳极在海水和含有氯离子的介质环境中性能良好,能自动调节电流,可广泛用于海洋环境中的钢铁设施(如海上钻井平台,海底管道等)的保护,在海水环境中有取代锌合金阳极的趋势。镁基牺牲阳极比重小,电位很负,对铁的驱动电压很大,纯镁的标准电极电位达到-2.37V(SHE),但电流效率很低,仅仅只打到50%。

        Mg-Al-Zn-Mn合金中锰的含量比纯镁阳极的高,比Mg-Mn合金阳极的低,性能更优,常用的有Mg-6Al-3Zn-(0.15~0.3)Mn、Mg-4Al-Zn-O-4Mn合金,前者主要用于土壤中,后者主要用于淡水中。锌基牺牲阳极是最早使用的牺牲阳极材料,锌的标准电极电位为-0.762V(SHE),对铁的驱动电压不大,但是锌阳极具有很高的电流效率,如Zn-Al-Cr牺牲阳极材料在海水中的电流效率可达95%以上。由于杂质元素对锌阳极的性能和腐蚀溶解能力有很大的影响,所以一般用纯锌作为阳极材料,或者再锌中添加消除杂质有害影响的合金元素。

        近年来在长寿命牺牲阳极材料的研制方面,研究了集中适用于海洋环境下工作的多元铝合金、锌合金牺牲阳极,并进行了电化学性能测试,其中电流效率是鉴定牺牲阳极电化学性能的重要指标。电流效率愈高,其使用寿命将愈长。为南海某海区海底输油管线的保护寻找在海泥中性能较优的铝合金牺牲阳极。通过对AZIS和AZIG在常温及热海泥中恒电流试验和阳极溶解形态分析,找到较为满意的阳极材料,供海上油气田工程设计参考。

        西北有色金属研究院采用热分解法制备了IrTa混合金属氧化物(MMo)深层钛阳极。通过极化曲线研究了钛阳极的电化学性能,用SEM观察了涂层形貌,研究了阳极寿命与涂层厚度和电流密度之间的关系,并与国外阳极试样的寿命做了对比。结果表明,所研制的涂层钛阳极具有良好的电化学性能和较长的使用寿命,是钢筋混凝土结构外加电流阴极保护中比较理想的辅助阳极。华南理工大学采用溶胶-凝胶法在304不锈钢表面制备了纳米TiO2/Sb2O5叠层涂层。所制备的纳米TiO2/Sb2O5叠层涂层表面连续、均匀、致密;稳定电位与极化曲线测试表明,在3%NaCl溶液中,纳米TiO2/Sb2O5叠层涂层的光电化学性能低于纯纳米TiO2涂层,但纳米TiO2/Sb2O5涂层经紫外光照1小时候的延时阴极保护作用可达4小时。通过研究分析,提出了一种新的纳米叠层涂层光生阴极保护作用机理。随着阳极保护技术和阳极材料性能的发展,牺牲阳极材料的性能会进一步得到优化,被保护件实施腐蚀控制将变得更加容易和有效。作为一种经济有效的金属防腐方法,牺牲阳极法在工程防腐的应用日益广泛。经过多年研究的镁、锌、铝三种牺牲阳极的配方工艺越来越成熟,其性能指标也趋于稳定。

        复合式牺牲阳极是阳极家族中的新成员,近年来,国内外相继开展了镁包锌型、镁包铝型复合牺牲阳极研究。但是三种主要的铝基、锌基、镁基牺牲阳极材料在未来一段时间还是最主要的牺牲阳极材料的主要使用方向。我国已经开始自主生产柔性阳极。当前,牺牲阳极材料已经蓬勃发展,展望牺牲阳极材料的主要发展趋势:(1)新型多元高性能牺牲阳极材料的研制。作为阳极材料,电化学性能是牺牲阳极材料的重要性能参数。在相同条件下,其负电位越低则其开路电位越高,电流效率越高则使用寿命越长。合金元素在多元优质牺牲阳极合金中起着重要的作用,配以不同含量、不同种类、不同数量的合金元素会得到性能不同的牺牲阳极材料。由牺牲阳极合金材料的单一化向多元化扩展,以获得性能优良的牺牲阳极合金材料。(2)更加成熟、系统的牺牲阳极材料制造工艺。不同材料、不同结构、不同用途的牺牲阳极材料制造工艺有着特殊的要求,更加成熟、系统的牺牲阳极材料制造工艺可以大大提高牺牲阳极的生产质量和效率;包括高性能多元合金牺牲阳极和大型铸造牺牲阳极的制造技术等。(3)快速的测试、评定技术的研究。优化当前对镁基、锌基及铝基等阳极的电化学性能的测试、评定技术。研究出检测时间尽量短、准确性高的检测方法,对于指导科研和生产具有重要意义。

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