腐蚀性质测试方法讲义.ppt

腐蝕性質測試方法與應用 腐蝕測試方法之應用 金屬表面處理 腐蝕分析 抑制劑研究 陰極及陽極保護 電鍍 陽極處理 基本原理介紹 時域圖上之直流與交流 電阻 為電機或是電子元件 根據歐姆定律其電阻值為電壓與電流相除所得的商數R V IR L AL為導體的長度 單位為公尺A為截面積 單位為平方公尺 為電阻系數 單位為歐姆 公尺 電阻之等效電路 各種材料之電阻係數區分方式 二線及四線電阻測量方式 電阻與電阻系數之關係 電阻 resistance R V I片電阻 sheetresistivity Rs sq V I RCF體積電阻 volumeresistivity Rv cm Rs t cm 離子 電流 不同金屬失去電子難易之比較 傳統電流及法拉第電流 電化學電池 氧化還原 Redox 反應 陽極 氧化發生M為純金屬或合金Mx 金屬離子xe 在氧化過成中轉移之電子數 陰極 還原發生在陰極表面上氧或氫氧之還原 吸收效應 電雙層 電雙層AC充電 電雙層AC放電 電雙層之震盪 電雙層在交流時域上之電壓及電流圖 電雙層對DC電位之行為 AC反應 DC反應 電化學電池之等效電路 寄生電阻 參考電極 工作電極間之溶液電阻 寄生電阻 參考電極 工作電極間之溶液電阻 電化學電池符號表示方式 電化學電池符號表示方式 電化學電池之接線方式 電化學電池之接線方式 四端連接方式 Cell本體之選擇 依溫度範圍 pH 機械加工 玻璃 最常用之cell本體 但不適用強鹼溶液中 因為強鹼會慢慢ething玻璃 壓克力 最容易加工 可適合一般溫度範圍 但不適用於強酸強鹼溶液中 PTFE或鐵弗龍 非常適合各種化學溶液中之應用 較困難加工及價格高 電極之選擇 工作電極 Workingelectrode 待測樣品之電極 若需測量電流密度 A cm2 則需先求出工作電極之表面積 浸入溶液中之面積 參考電極 Referenceelectrode 相對於所施加之電位提供一穩定的參考電位 一般使用飽和甘汞 SCE 銀 氯化銀 Ag AgCl 銅 硫酸銅 Cu CuSO4 輔助電極 Counterelectrode 又稱為對應電極 用來提供輸出及量測電流 一般使用導電性佳及鈍化金屬如白金 輔助電極之面積一般以大於等於工作電極面積為主 參考電極之電位 標準氫電極SHE H2 1MH E 0 000V飽和甘汞電極SCE Hg Hg2Cl2 Sat KCL E 0 241V銀 氯化銀電極 Ag AgCl Sat KCL E 0 197V銅 硫酸銅電極 Cu CuSO4 Sat CuSO4 E 0 316V 應用例討論 腐蝕形態介紹 腐蝕之測試方法 電阻係數量測 腐蝕之測試方法 腐蝕電位量測 腐蝕之測試方法 腐蝕之測試方法 動電位掃瞄法 腐蝕之測試方法 動電位掃瞄法 線性極化電阻 極化電阻與Tafel之方程式 圖五 304不鏽鋼動電位掃瞄實驗 塔弗外差法 Tafel 曲線 圖四 腐蝕之測試方法 交流阻抗分析法 腐蝕之測試方法 零電阻安培法 ZeroResistanceAmmeter 腐蝕之測試方法 交流阻抗分析 腐蝕之測試方法 交流阻抗分析 腐蝕之測試方法 交流阻抗分析 E Ph圖 Pourbaix 防蝕技術 塗裝 有機塗裝 金屬被覆 無機塗裝防蝕劑 降低活化態腐蝕反應之電流密度 在金屬表面形成鈍化膜陰極保護法 陽級保護法 陰極防蝕 外加電流保護法 以不溶性材料為陽極 連接至外加直流電源供應器之正輸出端電源供應器之負的輸出端連接至欲保護之金屬 陰極所需要之電子由直流電源供應器供應犧牲陽極 將欲保護之零件作為陰極 另一活性較大的金屬作為陽極使組成伽凡泥電池 由犧牲陽極提供價電子至陰極而達到防蝕作用常用鎂 鋅 鋁做為犧牲陽極 陽極保護法 將欲防蝕對像當作陽極 並藉由外部電流使受保護的金屬合金之表面形成一鈍態保護膜 此作法是增大腐蝕趨動力 導致鈍化使腐蝕速度明顯降低 陰極防蝕 外加電流法 優點 1 輸出電流較多 可保護較大面積的地下管線2 輸出電流可調整3 可適用於任何電阻係數的土壤缺點 1 外部電流失效時就失去防護作用2 初期投資及維護費用較高3 需經常測試直流電源供應器功能是否正常4 直流電源供應器 陰極連接線有安全上的考量 陰極防蝕 外加電流法 陰極防蝕 犧牲陽極保護法 優點 1 不需外加電源2 安裝簡易3 初期投資較少 且維護費用低廉4 不需經常測量缺點 1 輸出電流少2 僅適用於低電阻土壤3 不適用於大裸露面積 陰極防蝕連接方式 電化學腐蝕試驗 需執行實驗項目開路電位實驗 opencircuitpotential 動電位掃瞄實驗 potentiodymanic 電化學拋光加工 電化學拋光加工過程與電鍍加工相反將欲加工金屬件放置於陽極 於電解液中施加電壓或是電流方式使金屬表面發生陽極解離 消除金屬之微凹凸表面 而達到拋光目的 電化學拋光加工之優點 可同時加工廣大面積 加工後表面乾淨容易清洗不拘被加工物之機械性質不產生熱變型 殘流應力 加工應變加工面上具有方相性等可加工複雜型狀工件 金屬面 孔 線等均可加工電極不消耗 加工時間短加工面粗糙度良好容易自動化大量生產 以降低成本 電化學拋光之缺點 電解液常有腐蝕性 加工過程通常會用到酸液或是鹼液 必需另外處理生成物成為淤渣 不容易處理對環境會有污染的問題不同的金屬具有不同的加工速度 因此當加工物為合金時 難以控制相同的解離速度加工精度不易達成較佳的條件和加工穩定度 因為影響電化學拋光的電解參數很多 不容易控制 電流 電壓 I V 曲線 蝕刻 Etching 區 B C 此時有陽極膜 Anodicfilm 產生 此薄膜為陽極表面解離析出的高濃度金屬離子膜 但是所生成的量不穩定 所以電解效果呈蝕刻現象 在此加工區域的電流密度會與電壓呈正比 一般電化學加工大都在此區域 拋光 Polishing 區 C D 所生成的陽極膜相當穩定 在此加工區其電壓上升時 電流密度卻維持不變 原因是陽極膜的厚度已經足夠 使電阻達到一定值時電流的密度會受到限制 孔蝕 Pitting 區 D E 陽極膜因位所供應的電壓過高 因此產生大量的氧氣而形成氣泡 氧氣快速上升 而陽極附近的氣泡因為破裂造成陽極膜破壞 使得大量電流可能通過至工件 所以隨著電壓上升電流密度也會跟著上升 在此加工區也有拋光效果 但會有許多陽極膜遭到破壞所產生的孔狀腐蝕 因此稱為孔蝕區 電化學拋光試驗 定電位實驗 Potentiostatic 動電位掃瞄實驗 Potentiodynamic 交流阻抗基本原理介紹 直流電 直流電是指方向不隨時間發生改變的電流 但電流大小可能不固定 而產生波形 直流電的英文是DirectCurrent 簡稱DC 直流電的電荷在一個電路中沿著單一方向流動 日常生活中 電池提供的電流就是直流電 交流電 交流電 英文 AlternatingCurrent 簡寫AC 是指大小和方向都發生周期性變化的電流 因為週期電流在一個週期內的運行平均值為零 稱為交變電流或簡稱交流電 英文簡寫為AC 不同直流電 其方向都是一樣 通常波形為正弦曲線 交流電可以有效傳輸電力 但實際上還有應用其他的波形 例如三角形波 正方形波 生活中使用的市電就是具有正弦波形的交流電 直流及交流 Directvsalternatingcurrent 交流電之產生方式 升壓及降壓變壓器 電力系統 交流電週期及頻率 交流相角 ACphase 複數平面 complexplane 表示方式 電阻 為電機或是電子元件 根據歐姆定律其電阻值為電壓與電流相除所得的商數R V IR L AA為截面積 單位為平方公尺 為電阻系數 單位為歐姆 公尺 電阻之等效電路 電容 電容是指物體在電場中所能儲存的電荷量 或是指電容器的儲存電荷所能產生的電位差 一般來說電荷在電場中將受力而移動 當導體之間有了介質 則阻礙了電荷移動而使得電荷累積在導體上 以帶電的極板為例 電容的定義為該極板所帶電荷 絕對值 和兩極板間電位差的比值 C Q VC為電容器之電容量 Q為儲存在極板的電荷量 V為二極板間之電位差C A d 電容在交流之定義 電容之等效電路 介電係數 相對介電常數 r可以用靜電場用如下方式測量 首先在其兩塊極板之間為空氣的時候測試電容器的電容C0 然後 用同樣的電容極板間距離但在極板間加入電介質後側得電容Cx 然後相對介電常數可以用下式計算 r Cx C0對於時變電磁場 物質的介電常數和頻率相關 通常稱為介電係數它是在靜電場加在一個絕緣體上時存貯在其中的電能相對於真空 其介電常數為1 來說的比例 這樣 介電常數也成為靜介電系數 permittivity 也稱誘電率 平行板電容器中的電介質 將電介質置於一平行板電容器中能夠以k 介電常數 的比例提升其電容 C k 0A d當中 0是真空電介率 A為電容器平行板投影重疊的有效面積 d為兩塊平行板之間的距離 此情況的發生是由於電場將電介質粒子極化 產生與電容器電場成反向 反平行 的電荷群於平行板表面上 電荷在平行板間產生一比沒有電介質時更弱的電場 從而減少電勢 依照相反的想法 這說明了在有電介質的情況下 電勢的存在令電容器積存更多電荷 LOWK材料 在半導體製程中 Lowk介電系數是一種相對氧化矽比較小介電係數之材料在數位電子電路中由於絕緣材料層之間相當薄會產生訊號相戶影響 若以相同厚度但較小k值之材料取代氧化矽層則可以朽效降低寄生電容及改善傳輸交換速度及熱消散SiO2k 3 9SiO2withfluorinek 3 9 3 5SiO2withcarbonk 3 0PorousSiO2k 2 0PorousSiO2withcarbonk 2 5 HighK材料之需求 電感 電感是指線圈在磁場中活動時 所能感應到的電流的強度 單位是 亨利 H V Ldi dtV是產生的電壓 單位是伏特 L是裝置的電感 單位是亨利 di dt是電流的時變率 單位是安培 秒 電感的作用是阻礙電流的變化 但是這種作用與電阻阻礙電流流通作用是有區別的 電阻阻礙電流流通作用是以消耗電能為其標誌 而電感阻礙電流的變化則純粹是不讓電流變化 當電流增加時電感阻礙電流的增加 當電流減小時電感阻礙電流的減小 電感阻礙電流變化過程並不消耗電能 阻礙電流增加時它將電的能量以磁場的形式暫時儲存起來 等到電流減小時它也將磁場的能量釋放出來 反正就是阻礙電流的變化 電感在交流之定義 電感之等效電路 阻抗 阻抗是電路中電阻 電感 電容對直流 交流電路的阻礙作用的統稱 定義為電壓除以電流 符號Z 單位歐姆 阻抗參數及運算公式 一 阻抗參數及運算公式 二 電阻AC反應 電容AC反應 交流電容電路 RC電路 電阻及電容串聯電路 電感AC反應 交流電感電路 RL電路 電阻及電感串聯電路 串聯及並聯 RLC串聯電路 RLC並聯電路 RLC串並聯電路 相角 ELI及ICE表示方式 RL及RC之複數平面 等效電路分析 jb a R jb a 1 C R jb a 1 C jb R2 C R2 R1 R1 電雙層圖示 一 電雙層 物體置入於溶體中出現在表面上之結構 物體可以為固體 氣泡 液滴或是多孔性本體結構包含2個離子並列層 一層 可為正或負 與物體表面重疊 另外一層 存在於溶體中由溶液中自由離子受到電場及熱移動之影響所形成 稱之擴散層電雙層以非常小尺寸膠體形式存在物體表面上 可以用micrometer或nanometer測量電雙層研究電極電化學之基楚電雙層存在於含多種成分的液體中 如血 油漆 墨水 水泥漿等 電雙層圖示 二 電雙層及界達電位 內層稱為固定層compact Helmholtz Sternlayer外層稱為擴散層diffuselayer在固定 動的正 子層和可移動的擴散層之間的介面 稱之為slippingplane 在此slippingplane上的電位 則稱為Zetapotential 施加一電場於電泳槽到中液體 此時因電雙層中電荷分怖的關係 擴散層中的代正電荷離子受到電場的影響而移動 此時受到黏滯力的影響 這些移動的離子將會帶動周圍的液體一起移動 而移動的狀態是由高壓電場朝向低電位分向以等速移動 而電滲透流的流速Veof可定義如下 Veof eoEel eo eo為溶液本身的電滲透泳動率 Eel為所施加的電場強度 為溶液介電常數 為界面電位 為溶液的黏度 阻抗與導納之關係 導線上之電阻電容誤差 阻抗實驗設定 模擬測試治具之等效電路圖 阻抗圖及波德圖 各種測試參數對頻率圖 Bodediagramshowingthedifferentinelectricalpropertiesbetw