环境管理_材料的环境作用与电化学综合实验教材

材料的环境作用与电化学综合实验 一 实验规则 每次实验前认真阅读实验说明书 了解实验内容 目的 复习有关理论 进入实验室后务必保持肃静 爱护仪器设备 注意安全 遵守操作规程 未经教师许可不得动用其它设备 发生事故立即报告老师 实验过程中认真观察实验现象 真实地记录实验数据 实验结果经教师审查合格后 才能结束实验 不合格者应重做或补做 实验完毕清理好实验场地 认真编写实验报告 按时交给老师评阅 二 实验内容 环境腐蚀因素的电化学测定综合实验 材料环境失效动力学的电化学测试方法 电化学阻抗谱法研究不同材料的环境失效行为综合实验 材料表面防护膜层环境失效评定方法的综合实验 实验一 环境腐蚀因素的电化学测定综合实验 1 实验目的 了解和掌握不同环境条件对常用金属材料腐蚀的影响及其评定方法了解影响材料腐蚀失效的几种主要环境因素掌握主要环境因素之一 溶液pH值的测试方法 2 实验内容 选取不同材料 不同介质分别进行以下实验 2 1用酸度计测量所选介质的pH值 2 2采用浸泡实验观察试验材料在不同介质中的腐蚀形态 判断腐蚀类型 2 3测量发生均匀腐蚀材料的失重或增重 计算腐蚀速度 2 4测量试验材料在不同介质中的 t曲线 3 实验原理 3 1腐蚀的基本概念 各种材料 无论是金属还是非金属都会在环境 大气 海水 土壤 光照 温度和应力等 的作用下发生恶化变质 性能降低以致完全失效 这种物质与周围环境作用而导致变质和破坏的现象称为材料的腐蚀 钢铁生锈 铝锅穿孔 橡胶管老化开裂等等都是常见的腐蚀实例 例如 将金属Fe放在酸性溶液中 铁会自动溶解 同时放出氢气 Fe 2H Fe2 H2这是铁自溶解的腐蚀反应 从电化学角度来讲 Fe 溶液界面同时发生了两个电极反应 Fe Fe2 2e2H 2e H2对于铁的溶解 Fe是阳极 对于H2在Fe上的析出 Fe又是阴极 铁的溶解和H 的还原是同时存在的电极反应 称为共轭反应 因此 在金属电化学腐蚀中 阳极反应的通式 M Mn ne常见的阴极反应则有以下几种类型 氢离子还原 析氢 反应和氧还原 吸氧 反应 3 2影响材料腐蚀的主要因素 材料的性质 介质的影响 氧化剂和溶解氧 介质的pH值 介质中的盐类及浓度 介质温度 介质流动及其它一些因素 3 3评定腐蚀的方法 重量法 V失 W0 W1 St V增 W2 W0 St及D深 8 76 电化学方法 表面状态的观察 通过空间体积的变化定性评定材料腐蚀的程度 4 实验条件 4 1材料 碳钢 不锈钢 铝合金 锌 纯铜 自备材料 4 2环境条件 H2SO4 20 HNO3 20 60 H2O 去离子水或自来水 NaCl 3 20 NaOH 0 5 5 温度 25 50 4 3仪器 PHS 3C酸度计电子天平 精确到0 1mg 数字电压表 5 实验步骤 5 1腐蚀形态的观察及腐蚀速度测量试样准备 准备三种待测溶液和6块同一种待测材料 试样尺寸为50mmX20mmX2mm 将试样打号以示区别 用360 水砂纸 600 水砂纸打磨至均匀光亮 游标卡尺准确测量试样尺寸 根据测量结果准确计算每块试样的面积 作好记录 试样表面用去污粉除油 自来水冲洗干净 滤纸吸干 吹风机反复吹干 使试样完全干燥冷却 将干燥后的试样于天平上称重 准确度应达到0 1mg 将三种待测溶液分别量取800ml于1L烧杯中 将试样按编号分成3组 每两个一组 用塑料丝悬挂浸入待测溶液中 注意待测试样应全部浸入溶液 每个试样浸入深度要大体一致 试样上端应在液面下20mm 自试样浸入溶液开始记录时间 观察试样表面变化及溶液介质变化情况 1小时后取出 用自来水清洗干净 观察腐蚀产物的颜色 分布情况及与表面结合是否牢固 对于腐蚀产物易清洗的试样 在产物清洗液中清除腐蚀产物 除净后用流动自来水和蒸馏水将试样清洗干净 滤纸吸干 吹风机反复吹干 冷却 观察腐蚀形态 干燥后的试样再次在天平上称重 作记录 根据计算公式计算腐蚀速率及年腐蚀深度 5 2试验溶液pH值的测定以PHS 3C酸度计为例说明 开机 打开电源开关 指示灯亮 预热30分钟 标定 测量 将电极用蒸馏水冲洗并用滤纸吸干 插入待测溶液中 摇动烧杯 使溶液均匀 在显示屏上读取溶液的pH值 测量完后用蒸馏水清洗电极头部 并用滤纸洗干 5 3 t曲线的测定试样准备 准备2 3种待测材料各3块 用360 水砂纸 600 水砂纸打磨至均匀光亮 用去污粉除油 蒸馏水冲洗 滤纸吸干 室温下将待测试样分别浸入三种不同的试验溶液 自试样浸入溶液开始记时 每隔半分钟 1分钟 2分钟 5分钟用数字电压表测一次电位 记录电位随时间的变化 将溶液温度加热到50 重复步骤 2 考察温度对电极电位的影响 6 实验结果的处理和讨论 6 1观察试样在不同介质中的腐蚀形貌 判断腐蚀类型与强弱 6 2将均匀腐蚀金属的腐蚀速度测试结果记录在下表内 6 3根据实验数据绘制各试验材料在试验溶液中的 t曲线 分析在同一介质中各材料的腐蚀热力学倾向 6 4综合分析影响金属材料环境失效的主要腐蚀因素 实验二 材料环境失效动力学的电化学测试方法 1 实验目的 1 1了解常用材料 常见腐蚀失效类型的动力学特征 1 2了解和掌握极化曲线的测量方法 2 实验内容 用控制电位法分别测量碳钢及铝合金在3 5 NaCl溶液中的极化曲线 3 实验原理 3 1电极极化曲线 通过电极的电流密度与过电位 或电极电位 的关系曲线 3 2按照自变量及其控制方式 可将极化曲线的测量分为控制电位法和控制电流法两类 控制电位法 以电极电位作自变量 可将测试时逐步改变电极电位 测定相应的极化电流的大小 控制电流法 以极化电流作自变量 测试时逐步改变外加电流 测定相应的极化电位数值 绘制出极化曲线 对于形状简单的极化曲线 采用控制电位法和控制电流法得到的结果是相同的 对于形状复杂的极化曲线 如图2 1的钝化曲线 此时同一电流可能对应多个电位值 则只能用控制电位法测定 而采用控制电流法则得不到完整的极化曲线 其中 pp 临界钝化电位 ipp 临界钝化电流密度 p 初始稳态钝化电位 ip 维钝电流密度 tp 过钝化电位 图2 1形状复杂的极化曲线 3 3铝合金属于易钝金属 在潮湿大气或含有氯离子的溶液中易产生点蚀 如图2 2所示 破裂电位 br和保护电位 pr把具有活化 钝化转变行为的阳极极化曲线划分为三个电位区 图中i1为回扫电流密度 即 4 实验条件及实验线路 4 1控制电位法极化曲线测量线路图 图2 3 实验需要恒电位仪一台 电解池一个 金属电极 铝 钢等 每种2 3个 辅助电极 铂 一个 参比电极 饱和甘汞电极 一个 溶液适量 金属导线若干条 图2 3控制电位法测极化曲线线路图 4 实验条件及实验线路 4 2动电位法测量极化曲线的测量线路 图2 4 实验需要恒电位仪一台 扫描信号发生器一台 X Y记录仪一台 电解池一个 金属电极 铝 钢等 2 3个 辅助电极 铂 一个 参比电极 饱和甘汞电极 一个 溶液适量 金属导线若干条 坐标纸若干张 图2 4动电位扫描法测极化曲线线路图 5 实验步骤 按图2 4接好线路 按照仪器使用说明 将恒电位仪各旋钮放到适当位置 打开电源开关 预热10 15分钟 洗净电解池 移入适量被测溶液 准备电极 测量 使用ZF 3恒电位仪 6 实验结果的处理和讨论 6 1动电位法 将记录仪所绘极化曲线的纵坐标和横坐标分别标出电极电位和电流密度数值 并标明电位扫描速度 6 2控制电位法 根据实验结果绘制极化曲线 原始数据记录表格形式如下 6 3根据实验结果 分析所测材料的腐蚀失效的动力学特点或对比不同材料腐蚀失效的难易程度 并分析原因 实验三 电化学阻抗谱法研究不同材料的环境失效行为综合实验 1 实验目的 1 1掌握频域法测量电极体系电化学阻抗谱 EIS 的方法 1 2了解所选材料的电化学阻抗谱图的特点及其解析方法 1 3了解电化学阻抗谱技术在材料环境失效中的应用 2 可供选择的实验内容 测量金属电极 碳钢 不锈钢 镍 铝合金 铜等 在溶液 中性3 5 NaCl 弱酸性溶液或弱碱性溶液 中的电极电化学阻抗 2 1测量两种以上材料在同一种介质中的电化学阻抗 对比材料的耐蚀性 2 2测量一种材料在两种以上介质中的电化学阻抗 对比介质的腐蚀性 3 实验原理 3 1电化学阻抗方法 用小幅度正弦波交流信号扰动电极 并观察体系在稳态时对扰动的跟随情况 同时测量电极的交流阻抗 3 2一般电解池的阻抗包括两个电极的界面阻抗和溶液的电阻 其等效电路被简化为图3 1 此时其浓差极化可忽略 图3 1用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路 3 3描述阻抗随频率变化的方法是复数平面图 也称Nyquist图 当存在浓差极化时 等效电路及阻抗谱见图3 3 3 4 含有吸附体系的等效电路及阻抗图则更复杂 见图3 5 3 6 许多情况下 受吸脱附 钝化以及固相产物生成的影响 电极系统的等效电路较为复杂 复数阻抗平面轨迹可能存在于各个象限中 并呈现各种形状 3 4最常用的阻抗谱解析是由Nyquist图或Bode图计算等效电路参数 可直接由图上特征点数据计算或数据计算机拟合的方法得到等效电路参数 也可由Bode图计算等效电路参数 如图3 7所示 电化学阻抗技术的特点是在一定实验数据处理中可以同时得到RL Rr和Cd三个电化学参数 3 5金属的腐蚀速度与其极化阻力呈反比 icorr 不同的腐蚀体系 可以通过比较Rp定性地判断其耐蚀性 图3 7等效电路的Bode图 4 实验条件 4 1实验用品 碳钢 不锈钢 镍 铝合金 铜等金属试样 辅助电极 大面积铂电极 一个 参比电极 饱和甘汞电极等 一个 电解池一个 NaCl NaOH HCL H2SO4等试剂 去离子水 4 2实验仪器 本实验采用CHI600A系列电化学分析仪进行测试 仪器由外部计算机控制 在视窗操作系统下工作 测试线路的连接如图3 8所示 图3 8电化学阻抗谱测试线路图 5 实验步骤 按图3 8接好实验线路 打开实验设备电源 仪器预热10分钟即可进行实验 将待测溶液注入预先清洗好的电解池 准备电极 测量 图形显示 结果打印 将页面设置为 横向 直接打印即可 6 实验结果和讨论 6 1由所得电化学阻抗谱图求出体系的RP RL Cd值 6 2对实验结果进行分析及讨论 实验四 材料表面防护膜层环境失效评定方法的综合实验 1 实验目的 1 1掌握几种材料表面防护膜层的制备技术及膜层厚度的测试技术 1 2掌握材料表面膜层耐蚀性能的基本评定方法 1 3综合分析不同材料和不同膜层的腐蚀失效特点和耐蚀性 2 可供选择的实验内容 2 1自行选择制备一种表面膜层可供选择的膜层有 1 碳钢表面钾盐镀锌 2 碳钢表面镀镍层 3 铝合金阳极氧化 4 铝合金化学氧化2 2表面膜层厚度的测量2 3根据所制备膜层的性质 选定适当的电化学方法和加速腐蚀试验方法评定膜层的耐蚀性 并与基体材料进行对比 3 实验原理 3 1对材料表面进行一定的处理 使其形成一层有较高耐蚀性而不影响基体性质的防护层是使用最广泛的防护技术 表面膜层的厚度测量 表面膜层的厚度及硬度是衡量膜层质量 确保使用寿命的重要指标之一 且表面膜层的厚度往往直接影响产品的耐腐蚀性能 实验室常用的测试方法有金相法 涡流法 磁性法等 金相法 在显微镜下 在试样横截面上进行厚度测量 磁性测厚仪法测厚 用仪器测量磁性离开表面的断开力或测量通过基体金属与镀层磁路的磁阻变化而测量膜厚 涡流测厚仪法测厚 测量非磁性金属基体 如铝合金 上非导电覆盖层 如铝合金阳极氧化膜 厚度 3 2表面膜层耐蚀性能评价通常采用人工加速腐蚀试验和电化学测试方法进行评定 1 全浸腐蚀试验 将试验材料按一定的面容比浸泡在一定浓度的腐蚀介质中 观察和记录表面产生腐蚀的时间 腐蚀的类型及腐蚀程度 2 电化学评定方法 线性极化法评定膜层的耐蚀性 循环伏安法评定膜层的耐蚀性 得到体系的破裂电位 br和保护电位 pr等参数 根据这些电化学参数的大小可评价材料的 4 实验条件 材料 碳钢 铝合金等介质 3 NaCl实验仪器 FischerMIOB型磁性测厚仪西德PermascopE110B型涡流测厚仪ZF 1金属腐蚀检测仪ZF 3恒电位仪3086型X Y记录仪ZF 4电位扫描仪直流稳压电源 5 实验步骤 5 1表面镀层或膜层的制备镀锌a 镀锌工艺流程 打号 装挂 除油 水洗 除氧化皮 水洗 镀锌 水洗 出光 钝化 水洗 干燥b 镀锌主要工艺参数 除油 用去污粉擦刷 除氧化皮 3 5 HCl 体积比 室温 20 60s 镀锌 ZnCl280g L KCl200g L H3BO325g L 组合添加剂50ml L pH 4 5 6 0 电流密度Dk 2A dm2 时间 15min 出光 3 HNO3浸一下即可 钝化 室温 30 46s 干燥 吹风机吹干 铝合金阳极氧化a 铝合金阳极氧化工艺流程 打号 装挂 除油 水洗 除氧化皮 水洗 出光 水洗 阳极氧化 热水洗 40 50 冷水洗 封闭 水洗 干燥b 铝合金阳极氧化主要工艺参数 除油 用去污粉擦刷 除氧化皮 NaOH20 30g L Na2CO320 30g L 40 60 1 3min 出光 HNO3300 400g L 室温 60 90s 阳极氧化 H2SO4160g L 电流密度DA 1 3A dm2时间 25min 封闭 蒸馏水 96 98 30min 干燥 吹风机吹干 铝合金化学氧化a 铝合金化学氧化工艺流程 打号 装挂 除油 水洗 除氧化皮 水洗 出光 水洗 化学氧化 水洗 干燥 b 铝合金化学氧化主要工艺参数 除油 用去污粉擦刷 除氧化皮 NaOH10 15g L 室温 1 3min 出光 HNO3300 400g L 室温 60 90s 化学氧化 阿洛丁1200S7 5g L室温 2min 干燥 吹风机吹干 镀镍a 镀镍工艺流程 打号 装挂 除油 水洗 酸洗 水洗 镀镍 水洗 干燥b 镀镍主要工艺参数 除油 用去污粉擦刷 酸洗 3 5 HCl 体积比 室温 20 60s 镀镍 NiSO4 400g L NaCl 25g L H3BO3 40g L 糖精 2g L 十二烷基硫酸钠 0 1 0 3g L 添加剂 2 4ml L pH值 4 5 4 5 电流密度 2A dm2 4 干燥 吹风机吹干 5 2膜层厚度的测量磁性法测厚实验步骤 以FischerMIOB型磁性测厚仪为例说明 1 插入探头 打开仪器电源 2 在仪器面板上轻按一下APPL键 再按一下CAL键 3 调零 4 校准 5 第2次校准 6 待CAL处指示灯熄灭后 即可测量膜层厚度 涡流法测厚实验步骤 以PermascopE110B型涡流测厚仪为例说明 1 插入探头 打开仪器电源 2 在仪器面板上轻按一下APPL键 再按一下CAL键 3 调零 4 校准 5 第2次校准 待C