不同材料电化学极化曲线的测量

一、实验目的

1 了解不同金属材料腐蚀电化学极化曲线的测试方法。

2 通过不同极化曲线规律的分析，了解材料电化学腐蚀机理

3 掌握电化学试样制备、三电极电化学测试系统的原理。

二、实验原理

金属发生电化学腐蚀的内在机理与材料本质及环境介质直接相关，不同金属材料的电化学腐蚀行为差异主要体现在两个方面：材料的标准电极电位和电极的极化，前者由材料在特定环境介质中耐蚀性能本质所决定，而后者则取决于金属/介质的界面特性以及扩散过程。动电位极化曲线的测量能够评价出金属/介质的平衡电位以及相应的极化规律，从而有助于评价金属的腐蚀行为，并研究其相应的腐蚀机理，通过在线性极化区和强极化（TAFEL）区   内对平衡电位、极化曲线及各区段斜率的测量，分析不同材料发生电化学腐蚀的行为差异及机理。

三、实验设备

1 电化学恒电位仪

2 制样机

3 辅助电极、参比电极、盐桥

4 金相显微镜

四、实验内容

1碳钢的极化曲线测定

2不锈钢的极化曲线测定

3 纯镍的极化曲线测定

4纯铜的极化曲线测定

五、实验步骤

1 仪器设备、样品及腐蚀溶液的准备

1 设备：CP-5恒电位仪，电解池，硫酸亚汞电极（参比电极）、碳钢电极（研究电极）、Pt片电极（辅助电极）

2 溶液：3.5%NaCl 水溶液、0.1mol?L-1、1mol?L-1H2SO4溶液；1mol?L-1HCl溶液；乌洛托品（缓蚀剂）。注：实验可选做其中一两种，溶液样品不需全部准备配制。

3 样品（研究电极）准备：依次用粗砂纸、4＃、6＃金相砂纸将研究电极表面打磨平整光亮，用蒸馏水清洗后滤纸吸干。

2 设备连接及数据测定

1测量极化曲线：连接好测量装置，测定开路电位，测电极极化曲线（具体连接方法详见电位仪使用说明书）。

电极连接示意图

2 按步骤分别测定研究电极在3.5%NaCl 水溶液、0.1 mol?L-1和1mol?L-1H2SO4溶液，1.0 mol?L-1 HCl溶液及含1%乌洛托品的1.0 mol?L-1 HCl溶液中的极化曲线。

3 数据整理与分析

4 撰写实验报告

六、注意事项

1 实验前必须预习实验报告和相关的课程内容，需要记录哪些数据、观察哪些现象，预计有哪些结果等做到心中有数。

2实验前必须了解设备的性能和相关的操作规程，能正确调整设备，特别注意安全操作。

3 测试样品的表面（研究电极表面）一定要处理平整、光亮、干净，不能有点蚀孔。

4 实验前进行分组（六人一组）并确定组长，制定实验方案（选定材料种类，腐蚀介质，扫描速度，起始电压等，并写出实验操作步骤），提交实验方案，经指导教师确认后方可进实验室操作。

七、实验报告要求

1 实验名称、目的、原理、内容及步骤

2 实验过程记录（包括实验原始数据记录，实验现象记录，实验过程发现的问题等）

1）列出全部原始测试资料、实验数据，填入表格中。

2）画出或拍摄所观测极化曲线。

3 结果与讨论（包括数据处理、实验现象分析、影响因素讨论、综合分析和结论等）

1）分析不同金属在同种腐蚀溶液中的极化曲线，比较耐蚀性好坏；分析同种金属在不同浓度的腐蚀液中的腐蚀情况，分析影响因素；比较添加缓蚀剂前后金属极化曲线，分析原因（是否缓释，可探究原理）。

2）给出分析结论，是解释耐蚀性跟那些因素相关。

3）实验过程存在的问题和解决这些问题的设想。

4 列出组长、同组成员、分工情况和实验时间

第二篇：极化曲线测量

极化曲线测量

                                    董泽华

为了探索电极过程的机理及影响电极过程的各种因素，包括 各种水处理剂，缓蚀剂的评价和机理研究，都必须对电极过程进行研究，而在该研究过程中极化曲线的测定又是重要的方法之一。一般进行进化曲线测量

1.        实验方法

（一）碳钢在弱酸性溶液中的极化曲线

(1)    工作电极为PTFE或环氧树脂镶嵌的A3钢,面积为0.5cm²，工作电极用200,600,800号金相砂纸逐级打磨至光亮,以无水乙醇和丙酮脱脂后,再用蒸馏水进行冲洗,放入干燥器内干燥30mins,然后浸入被测溶液中15~50mins, 待电位稳定后进行测量。试验采用密闭的玻璃电解池,并置于恒温水浴中,试验过程中溶液未除氧。放在丙酮中除去油污，用石腊涂抹剩余面积，备用。

(2)    试验介质分别为1000 mg/l H₂S+1000 mg/l HCl和1000 mg/l H₂S+100 mg/l HCl。温度为25℃和85℃。缓蚀剂为某石油化工厂提供的”HT-1”和”WS-1”,主要成分为咪唑啉酰胺为1mmol·L-1的盐酸溶液（pH=3）， 采用Pt片作为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。将工作电极安装到装有250mL介质的四口烧瓶，与Pt辅助电极、饱和甘汞电极组成三电极体系。电解池的连接参见附件一。

(3)    仪器采用华中科技大学研制的CS300型电化学测试系统进行极化曲线测量，测量控制和数据分析才采用corrTest进行。从主菜单中选择“稳态测试”——“动电位扫描”或者直接按“F4”即可进入如下窗口，其参数设置如下图1所示。温度控制在80℃（恒温水浴），扫描速率为0.5mv/s，极化范围为+/-100mV(相对开路电位)，曲线采用非线性三参数方法来计算阴阳极Tafel斜率以及腐蚀速率、极化电阻等值。

图1极化曲线参数设置窗口

电解池参数设置如下图2所示，用于设定工作电极的面积，材料化学当量，参比电极类型等，这些参数将用于腐蚀参数的计算。

图2.电极与电解池参数设置窗口

此外，恒电位仪的参数设置一般可以依照下图3所示的参数进行，没有特殊需要无需修改。

图3.恒电位仪参数设置窗口

正是测量开始前，请先检查图1中的开路电位是否稳定，如果已经稳定（一般对于中性体系，可能需要10~20分钟），即可开侧测量，点击图1中的“确定”按钮即可。

图3.恒电位仪参数设置窗口

测试结束后，即可进行腐蚀速率的计算，如下图4所示，

2.        腐蚀速率计算

菜单位置：“数据处理” →“腐蚀计算”。

本对话框根据电极动力学方程来计算电化学参数和金属腐蚀速率 ，计算方法中的所需要的电极及电解池参数要由用户在 “电解池参数”中给定，有关这四种计算方法的详细解释请参见说明书第0节，另外如果曲线特别粗糙，可以先用CorrView软件进行数据平滑处理，详情见错误！未找到引用源。节。 也可以直接采用CorrView进行数据处理，详见说明书。

图4  电化学参数拟合窗口

当用户打开一个有效极化曲线数据文件后，窗口中相应位置将会显示保存在文件中的电极参数信息，如果用户需要修改某些信息，可以直接输入。此后单击“计算”按钮，CorrTest将对所打开文件进行非线性最小二乘法拟合计算。

保存

将计算结果以及计算所涉及文件等信息保存到“result.txt”文件中并同时打开该文件，所有计算结果均保存该文件中，但后面的数据不会覆盖以前的记录，用户可以查阅和打印该文件。

3.        缓蚀剂评价

先在空白溶液中测量一条极化曲线，随后加入不同浓度的缓蚀剂后，在相同的测试条件下重新进行动电位扫描，然后利用参数拟合中的弱极化区拟合方法来计算不同浓度下的腐蚀速率。最后通过缓蚀率计算公式来算出不同浓度的缓蚀剂效率。

另外根据算出的阴极和阳极Tafel斜率（），还可以判断缓蚀剂的类型。

通过CorrView软件，您可将所有数据文件读入，并绘制在一幅图形，然后经剪贴板将图形粘贴到MS Word文档中。具体操作参见错误！未找到引用源。节。

图5是低碳钢在15%盐酸蒸馏水溶液加和不加缓蚀剂时的极化曲线，相应拟合结果见表1。

图5 在15%HCl中有、无缓蚀剂时，碳钢的极化曲线

表1 用四参数拟合图2-33中曲线的计算结果

说明

CorrTest软件所计算出的结果极大地依赖于用户所选择的数据，另外错误的原始数据和不正确的实验方法均可能引起较大的偏差，用户必须拥有足够的电化学和腐蚀方面的知识来确认计算是合理的。

钝化曲线测量

在动电位扫描测试中，有时要测量一些金属如铬、镍、钴及其合金在某些介质中的钝化曲线，这些金属在电位比较正时表面会生成一层钝化膜，此时电极的行为与贵金属电极相似，流过的钝化电流极小。为了评价它们的耐腐蚀能力，需要获得其破裂电位和保护电位值，为此常常要测绘其钝化回扫曲线。

1.        钝化循环曲线

当极化电位继续向正方向扫描至某一值时，钝化膜会发生破裂，极化电流迅速增加，此时的极化电位称为破裂电位f_b，如果当极化电流超过某一规定值后（如100mA /cm²），立即向负方向扫描，此后在极化曲线上会出现滞后环，回扫曲线与正扫曲线的交点一般认为是材料在该介质中的保护电位f_p。

图6 典型的钝化循环曲线  

钝化曲线的测量采用与图1同样的方法，只是需要改变“扫描停止”单选框中的内容。扫描在达到终止电位或在极化电流密度进入用户所指定的范围后（如下图7所示），当极化电流密度大于0.1mA/cm²，或者小于-0.1 mA/cm²时，自动终止；如果选择“扫描反向”，此时当极化电流密度进入您指定的范围后，CorrTest软件将控制扫描从当前电位向初始电位扫描。当向阴极回扫时如果极化电流密度小于您指定的最小电流密度后，CorrTest软件自动停止扫描, 并给出提示声音。

如果二者均不选中，则测试过程将忽略限制条件而按扫描电位设置范围进行。一般情况下，为了保护工作电极免于过大电流的破坏，可以选择“扫描停止”，并设置一个最大的阳极电流。

图7中设定值的含义是：在正扫过程中，当阳极极化电流密度>0.5 mA/cm²后，CorrTest立刻使扫描反向，在回扫过程中当阴极极化电流密度>0.1mA/cm²(对于CS系列恒电位仪，正值代表阴极极化电流)，扫描停止，测试过程结束。

例如测量304不锈钢在3%NaCl溶液中的钝化曲线，可以按图7中所示指定当阳极电流密度大于0.5mA/cm²后扫描反向。当电位继续向阴极方向扫描时，极化电流密度也会下降，并最终形成一个钝化回滞曲线，当回扫电流密度小于-0.1 mA/cm²时（从阳极极化变成阴极极化）时，则CorrTest软件自动终止测试过程。

附录一. 电解池的连接

连接电解池——将工作电极、辅助电极插入电解池内，参比电极应放入套式盐桥内。

盐桥的连通过程如下：

a.    先通过洗耳球从乳胶管口将待测溶液吸入到盐桥内的环形空间内，并充满之。

b.    取约3ml饱和KCl溶液到注入到盐桥的内套管内。

c.    将参比电极先插入有乳胶管中，然后一起塞入盐桥的内套管，并使之紧密（可将乳胶管反向卷起再赛入玻璃套管），通过负压使内孔溶液不致通过多孔砂芯泄漏。

约1～3分钟后，内外溶液经多孔陶瓷连通，并形成电回路。整个装置如图1所示。

将电极插头的黑色护套夹（工作电极）与研究电极，红色护套夹与辅助电极（即白金电导电极）的极板连接片相连，黄色护套夹与参比电极相连,电位测量选择开关置“参比”，数字表显示即为参比电极相对于研究电极的开路电位。

 

图1. 电解池与电极的连接图

注意：如果内套管内溶液干涸，请注意及时补充，否则电路不通或阻抗过大，会引起严重的电流或电位振荡现象。另外，如果参比电极内KCl完全消失，也请及时补充固体KCl。

附录二. 腐蚀速率算法

线性区数值计算

对极化曲线数据处理模块主要针对极化曲线的各个区段来采用不同方法进行，对线性区和塔菲尔区采用一元线性回归计算。

corrTest对腐蚀电流密度的计算是基于Stern-Geary 方程式(Stern and Geary, J. Electrochem. Soc. 104 56, 1957):

由于在线性极化区无法直接得到Tafel斜率( 和),所以corrTest假设其值等于0.12V/dec，当然通过极化曲线也可以计算出Tafel斜率(和)。 (Mansfeld, Advances in Corrosion Science and Tech., 6 Ed. Fontana and Staehle, Plenum Press, p. 163, 1976):

根据上述假设值，Stern Geary 系数.(B值)有：

一般地，Stern-Geary 系数（B值）取为18mV，当然也可以由用户在电解池参数中指定。则

而腐蚀速率的计算是根据

MPY（密耳/年） =* 化学当量(g/当量) * 393.7(密耳/cm)) / (密度()×365×24×3600(秒/年)/96500(库仑/摩尔)

mm/a（毫米/年） = MPY（密耳/年）/39.37(密耳/mm)

对于碳钢来说,

， 

显然，只有在给定了电极参数后，才能计算金属的腐蚀速率。

弱极化区数值处理 

对弱极化区的数据处理是根据腐蚀电化学原理(曹楚南，由弱极化曲线拟合估算腐蚀过程的电化学动力学参数，中国腐蚀与防护学报，Vol.5,No.3, p155, 1985)，采用高斯－牛顿－麦夸脱迭代法进行曲线拟合，弱极化区的极化曲线方程式可表示如下:

               (Ⅰ)

这里i为外测极化电流密度,i_corr为腐蚀电流密度,i_L为极限扩散电流密度,△E＝E-E₀为极化电位, β_a、β_c分别为阳极和阴极塔菲尔斜率,由于式(Ⅰ)中含有、、和等四个参数,所以也称之为四参数极化曲线方程式。

当<<时，(Ⅰ)式可以简化为:

                              (Ⅱ)

其中、和为三个未知的参数,故称之为三参数极化曲线方程式。

而当→时,（Ⅰ）式则可以简化为:

                                        (Ⅲ)

(Ⅲ)式中仅有两个未知的参数,故称之为二参数极化曲线方程式。

CorrTest可以根据让用户选择三参数和四参数方法进行拟合，在四参数拟合中，参数拟合初值可以直接使用三参数拟合的计算结果。

如果用10为底的对数（log）来表示Tafel斜率，则可分别用和来表示其阳极和阴极斜率，并有

。

CorrTest所计算出的结果极大地依赖于用户所选择的数据，另外错误的原始数据和不正确的实验方法均可能引起较大的偏差（例如不同的扫描速率将得到相差很大的结果）。