環(huán)境管理_材料的環(huán)境作用與電化學綜合實驗教材

材料的環(huán)境作用與電化學綜合實驗 一 實驗規(guī)則 每次實驗前認真閱讀實驗說明書 了解實驗內容 目的 復習有關理論 進入實驗室后務必保持肅靜 愛護儀器設備 注意安全 遵守操作規(guī)程 未經教師許可不得動用其它設備 發(fā)生事故立即報告老師 實驗過程中認真觀察實驗現(xiàn)象 真實地記錄實驗數(shù)據(jù) 實驗結果經教師審查合格后 才能結束實驗 不合格者應重做或補做 實驗完畢清理好實驗場地 認真編寫實驗報告 按時交給老師評閱 二 實驗內容 環(huán)境腐蝕因素的電化學測定綜合實驗 材料環(huán)境失效動力學的電化學測試方法 電化學阻抗譜法研究不同材料的環(huán)境失效行為綜合實驗 材料表面防護膜層環(huán)境失效評定方法的綜合實驗 實驗一 環(huán)境腐蝕因素的電化學測定綜合實驗 1 實驗目的 了解和掌握不同環(huán)境條件對常用金屬材料腐蝕的影響及其評定方法了解影響材料腐蝕失效的幾種主要環(huán)境因素掌握主要環(huán)境因素之一 溶液pH值的測試方法 2 實驗內容 選取不同材料 不同介質分別進行以下實驗 2 1用酸度計測量所選介質的pH值 2 2采用浸泡實驗觀察試驗材料在不同介質中的腐蝕形態(tài) 判斷腐蝕類型 2 3測量發(fā)生均勻腐蝕材料的失重或增重 計算腐蝕速度 2 4測量試驗材料在不同介質中的 t曲線 3 實驗原理 3 1腐蝕的基本概念 各種材料 無論是金屬還是非金屬都會在環(huán)境 大氣 海水 土壤 光照 溫度和應力等 的作用下發(fā)生惡化變質 性能降低以致完全失效 這種物質與周圍環(huán)境作用而導致變質和破壞的現(xiàn)象稱為材料的腐蝕 鋼鐵生銹 鋁鍋穿孔 橡膠管老化開裂等等都是常見的腐蝕實例 例如 將金屬Fe放在酸性溶液中 鐵會自動溶解 同時放出氫氣 Fe 2H Fe2 H2這是鐵自溶解的腐蝕反應 從電化學角度來講 Fe 溶液界面同時發(fā)生了兩個電極反應 Fe Fe2 2e2H 2e H2對于鐵的溶解 Fe是陽極 對于H2在Fe上的析出 Fe又是陰極 鐵的溶解和H 的還原是同時存在的電極反應 稱為共軛反應 因此 在金屬電化學腐蝕中 陽極反應的通式 M Mn ne常見的陰極反應則有以下幾種類型 氫離子還原 析氫 反應和氧還原 吸氧 反應 3 2影響材料腐蝕的主要因素 材料的性質 介質的影響 氧化劑和溶解氧 介質的pH值 介質中的鹽類及濃度 介質溫度 介質流動及其它一些因素 3 3評定腐蝕的方法 重量法 V失 W0 W1 St V增 W2 W0 St及D深 8 76 電化學方法 表面狀態(tài)的觀察 通過空間體積的變化定性評定材料腐蝕的程度 4 實驗條件 4 1材料 碳鋼 不銹鋼 鋁合金 鋅 純銅 自備材料 4 2環(huán)境條件 H2SO4 20 HNO3 20 60 H2O 去離子水或自來水 NaCl 3 20 NaOH 0 5 5 溫度 25 50 4 3儀器 PHS 3C酸度計電子天平 精確到0 1mg 數(shù)字電壓表 5 實驗步驟 5 1腐蝕形態(tài)的觀察及腐蝕速度測量試樣準備 準備三種待測溶液和6塊同一種待測材料 試樣尺寸為50mmX20mmX2mm 將試樣打號以示區(qū)別 用360 水砂紙 600 水砂紙打磨至均勻光亮 游標卡尺準確測量試樣尺寸 根據(jù)測量結果準確計算每塊試樣的面積 作好記錄 試樣表面用去污粉除油 自來水沖洗干凈 濾紙吸干 吹風機反復吹干 使試樣完全干燥冷卻 將干燥后的試樣于天平上稱重 準確度應達到0 1mg 將三種待測溶液分別量取800ml于1L燒杯中 將試樣按編號分成3組 每兩個一組 用塑料絲懸掛浸入待測溶液中 注意待測試樣應全部浸入溶液 每個試樣浸入深度要大體一致 試樣上端應在液面下20mm 自試樣浸入溶液開始記錄時間 觀察試樣表面變化及溶液介質變化情況 1小時后取出 用自來水清洗干凈 觀察腐蝕產物的顏色 分布情況及與表面結合是否牢固 對于腐蝕產物易清洗的試樣 在產物清洗液中清除腐蝕產物 除凈后用流動自來水和蒸餾水將試樣清洗干凈 濾紙吸干 吹風機反復吹干 冷卻 觀察腐蝕形態(tài) 干燥后的試樣再次在天平上稱重 作記錄 根據(jù)計算公式計算腐蝕速率及年腐蝕深度 5 2試驗溶液pH值的測定以PHS 3C酸度計為例說明 開機 打開電源開關 指示燈亮 預熱30分鐘 標定 測量 將電極用蒸餾水沖洗并用濾紙吸干 插入待測溶液中 搖動燒杯 使溶液均勻 在顯示屏上讀取溶液的pH值 測量完后用蒸餾水清洗電極頭部 并用濾紙洗干 5 3 t曲線的測定試樣準備 準備2 3種待測材料各3塊 用360 水砂紙 600 水砂紙打磨至均勻光亮 用去污粉除油 蒸餾水沖洗 濾紙吸干 室溫下將待測試樣分別浸入三種不同的試驗溶液 自試樣浸入溶液開始記時 每隔半分鐘 1分鐘 2分鐘 5分鐘用數(shù)字電壓表測一次電位 記錄電位隨時間的變化 將溶液溫度加熱到50 重復步驟 2 考察溫度對電極電位的影響 6 實驗結果的處理和討論 6 1觀察試樣在不同介質中的腐蝕形貌 判斷腐蝕類型與強弱 6 2將均勻腐蝕金屬的腐蝕速度測試結果記錄在下表內 6 3根據(jù)實驗數(shù)據(jù)繪制各試驗材料在試驗溶液中的 t曲線 分析在同一介質中各材料的腐蝕熱力學傾向 6 4綜合分析影響金屬材料環(huán)境失效的主要腐蝕因素 實驗二 材料環(huán)境失效動力學的電化學測試方法 1 實驗目的 1 1了解常用材料 常見腐蝕失效類型的動力學特征 1 2了解和掌握極化曲線的測量方法 2 實驗內容 用控制電位法分別測量碳鋼及鋁合金在3 5 NaCl溶液中的極化曲線 3 實驗原理 3 1電極極化曲線 通過電極的電流密度與過電位 或電極電位 的關系曲線 3 2按照自變量及其控制方式 可將極化曲線的測量分為控制電位法和控制電流法兩類 控制電位法 以電極電位作自變量 可將測試時逐步改變電極電位 測定相應的極化電流的大小 控制電流法 以極化電流作自變量 測試時逐步改變外加電流 測定相應的極化電位數(shù)值 繪制出極化曲線 對于形狀簡單的極化曲線 采用控制電位法和控制電流法得到的結果是相同的 對于形狀復雜的極化曲線 如圖2 1的鈍化曲線 此時同一電流可能對應多個電位值 則只能用控制電位法測定 而采用控制電流法則得不到完整的極化曲線 其中 pp 臨界鈍化電位 ipp 臨界鈍化電流密度 p 初始穩(wěn)態(tài)鈍化電位 ip 維鈍電流密度 tp 過鈍化電位 圖2 1形狀復雜的極化曲線 3 3鋁合金屬于易鈍金屬 在潮濕大氣或含有氯離子的溶液中易產生點蝕 如圖2 2所示 破裂電位 br和保護電位 pr把具有活化 鈍化轉變行為的陽極極化曲線劃分為三個電位區(qū) 圖中i1為回掃電流密度 即 4 實驗條件及實驗線路 4 1控制電位法極化曲線測量線路圖 圖2 3 實驗需要恒電位儀一臺 電解池一個 金屬電極 鋁 鋼等 每種2 3個 輔助電極 鉑 一個 參比電極 飽和甘汞電極 一個 溶液適量 金屬導線若干條 圖2 3控制電位法測極化曲線線路圖 4 實驗條件及實驗線路 4 2動電位法測量極化曲線的測量線路 圖2 4 實驗需要恒電位儀一臺 掃描信號發(fā)生器一臺 X Y記錄儀一臺 電解池一個 金屬電極 鋁 鋼等 2 3個 輔助電極 鉑 一個 參比電極 飽和甘汞電極 一個 溶液適量 金屬導線若干條 坐標紙若干張 圖2 4動電位掃描法測極化曲線線路圖 5 實驗步驟 按圖2 4接好線路 按照儀器使用說明 將恒電位儀各旋鈕放到適當位置 打開電源開關 預熱10 15分鐘 洗凈電解池 移入適量被測溶液 準備電極 測量 使用ZF 3恒電位儀 6 實驗結果的處理和討論 6 1動電位法 將記錄儀所繪極化曲線的縱坐標和橫坐標分別標出電極電位和電流密度數(shù)值 并標明電位掃描速度 6 2控制電位法 根據(jù)實驗結果繪制極化曲線 原始數(shù)據(jù)記錄表格形式如下 6 3根據(jù)實驗結果 分析所測材料的腐蝕失效的動力學特點或對比不同材料腐蝕失效的難易程度 并分析原因 實驗三 電化學阻抗譜法研究不同材料的環(huán)境失效行為綜合實驗 1 實驗目的 1 1掌握頻域法測量電極體系電化學阻抗譜 EIS 的方法 1 2了解所選材料的電化學阻抗譜圖的特點及其解析方法 1 3了解電化學阻抗譜技術在材料環(huán)境失效中的應用 2 可供選擇的實驗內容 測量金屬電極 碳鋼 不銹鋼 鎳 鋁合金 銅等 在溶液 中性3 5 NaCl 弱酸性溶液或弱堿性溶液 中的電極電化學阻抗 2 1測量兩種以上材料在同一種介質中的電化學阻抗 對比材料的耐蝕性 2 2測量一種材料在兩種以上介質中的電化學阻抗 對比介質的腐蝕性 3 實驗原理 3 1電化學阻抗方法 用小幅度正弦波交流信號擾動電極 并觀察體系在穩(wěn)態(tài)時對擾動的跟隨情況 同時測量電極的交流阻抗 3 2一般電解池的阻抗包括兩個電極的界面阻抗和溶液的電阻 其等效電路被簡化為圖3 1 此時其濃差極化可忽略 圖3 1用大面積惰性電極為輔助電極時電解池的等效電路 3 3描述阻抗隨頻率變化的方法是復數(shù)平面圖 也稱Nyquist圖 當存在濃差極化時 等效電路及阻抗譜見圖3 3 3 4 含有吸附體系的等效電路及阻抗圖則更復雜 見圖3 5 3 6 許多情況下 受吸脫附 鈍化以及固相產物生成的影響 電極系統(tǒng)的等效電路較為復雜 復數(shù)阻抗平面軌跡可能存在于各個象限中 并呈現(xiàn)各種形狀 3 4最常用的阻抗譜解析是由Nyquist圖或Bode圖計算等效電路參數(shù) 可直接由圖上特征點數(shù)據(jù)計算或數(shù)據(jù)計算機擬合的方法得到等效電路參數(shù) 也可由Bode圖計算等效電路參數(shù) 如圖3 7所示 電化學阻抗技術的特點是在一定實驗數(shù)據(jù)處理中可以同時得到RL Rr和Cd三個電化學參數(shù) 3 5金屬的腐蝕速度與其極化阻力呈反比 icorr 不同的腐蝕體系 可以通過比較Rp定性地判斷其耐蝕性 圖3 7等效電路的Bode圖 4 實驗條件 4 1實驗用品 碳鋼 不銹鋼 鎳 鋁合金 銅等金屬試樣 輔助電極 大面積鉑電極 一個 參比電極 飽和甘汞電極等 一個 電解池一個 NaCl NaOH HCL H2SO4等試劑 去離子水 4 2實驗儀器 本實驗采用CHI600A系列電化學分析儀進行測試 儀器由外部計算機控制 在視窗操作系統(tǒng)下工作 測試線路的連接如圖3 8所示 圖3 8電化學阻抗譜測試線路圖 5 實驗步驟 按圖3 8接好實驗線路 打開實驗設備電源 儀器預熱10分鐘即可進行實驗 將待測溶液注入預先清洗好的電解池 準備電極 測量 圖形顯示 結果打印 將頁面設置為 橫向 直接打印即可 6 實驗結果和討論 6 1由所得電化學阻抗譜圖求出體系的RP RL Cd值 6 2對實驗結果進行分析及討論 實驗四 材料表面防護膜層環(huán)境失效評定方法的綜合實驗 1 實驗目的 1 1掌握幾種材料表面防護膜層的制備技術及膜層厚度的測試技術 1 2掌握材料表面膜層耐蝕性能的基本評定方法 1 3綜合分析不同材料和不同膜層的腐蝕失效特點和耐蝕性 2 可供選擇的實驗內容 2 1自行選擇制備一種表面膜層可供選擇的膜層有 1 碳鋼表面鉀鹽鍍鋅 2 碳鋼表面鍍鎳層 3 鋁合金陽極氧化 4 鋁合金化學氧化2 2表面膜層厚度的測量2 3根據(jù)所制備膜層的性質 選定適當?shù)碾娀瘜W方法和加速腐蝕試驗方法評定膜層的耐蝕性 并與基體材料進行對比 3 實驗原理 3 1對材料表面進行一定的處理 使其形成一層有較高耐蝕性而不影響基體性質的防護層是使用最廣泛的防護技術 表面膜層的厚度測量 表面膜層的厚度及硬度是衡量膜層質量 確保使用壽命的重要指標之一 且表面膜層的厚度往往直接影響產品的耐腐蝕性能 實驗室常用的測試方法有金相法 渦流法 磁性法等 金相法 在顯微鏡下 在試樣橫截面上進行厚度測量 磁性測厚儀法測厚 用儀器測量磁性離開表面的斷開力或測量通過基體金屬與鍍層磁路的磁阻變化而測量膜厚 渦流測厚儀法測厚 測量非磁性金屬基體 如鋁合金 上非導電覆蓋層 如鋁合金陽極氧化膜 厚度 3 2表面膜層耐蝕性能評價通常采用人工加速腐蝕試驗和電化學測試方法進行評定 1 全浸腐蝕試驗 將試驗材料按一定的面容比浸泡在一定濃度的腐蝕介質中 觀察和記錄表面產生腐蝕的時間 腐蝕的類型及腐蝕程度 2 電化學評定方法 線性極化法評定膜層的耐蝕性 循環(huán)伏安法評定膜層的耐蝕性 得到體系的破裂電位 br和保護電位 pr等參數(shù) 根據(jù)這些電化學參數(shù)的大小可評價材料的 4 實驗條件 材料 碳鋼 鋁合金等介質 3 NaCl實驗儀器 FischerMIOB型磁性測厚儀西德PermascopE110B型渦流測厚儀ZF 1金屬腐蝕檢測儀ZF 3恒電位儀3086型X Y記錄儀ZF 4電位掃描儀直流穩(wěn)壓電源 5 實驗步驟 5 1表面鍍層或膜層的制備鍍鋅a 鍍鋅工藝流程 打號 裝掛 除油 水洗 除氧化皮 水洗 鍍鋅 水洗 出光 鈍化 水洗 干燥b 鍍鋅主要工藝參數(shù) 除油 用去污粉擦刷 除氧化皮 3 5 HCl 體積比 室溫 20 60s 鍍鋅 ZnCl280g L KCl200g L H3BO325g L 組合添加劑50ml L pH 4 5 6 0 電流密度Dk 2A dm2 時間 15min 出光 3 HNO3浸一下即可 鈍化 室溫 30 46s 干燥 吹風機吹干 鋁合金陽極氧化a 鋁合金陽極氧化工藝流程 打號 裝掛 除油 水洗 除氧化皮 水洗 出光 水洗 陽極氧化 熱水洗 40 50 冷水洗 封閉 水洗 干燥b 鋁合金陽極氧化主要工藝參數(shù) 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 室溫 60 90s 陽極氧化 H2SO4160g L 電流密度DA 1 3A dm2時間 25min 封閉 蒸餾水 96 98 30min 干燥 吹風機吹干 鋁合金化學氧化a 鋁合金化學氧化工藝流程 打號 裝掛 除油 水洗 除氧化皮 水洗 出光 水洗 化學氧化 水洗 干燥 b 鋁合金化學氧化主要工藝參數(shù) 除油 用去污粉擦刷 除氧化皮 NaOH10 15g L 室溫 1 3min 出光 HNO3300 400g L 室溫 60 90s 化學氧化 阿洛丁1200S7 5g L室溫 2min 干燥 吹風機吹干 鍍鎳a 鍍鎳工藝流程 打號 裝掛 除油 水洗 酸洗 水洗 鍍鎳 水洗 干燥b 鍍鎳主要工藝參數(shù) 除油 用去污粉擦刷 酸洗 3 5 HCl 體積比 室溫 20 60s 鍍鎳 NiSO4 400g L NaCl 25g L H3BO3 40g L 糖精 2g L 十二烷基硫酸鈉 0 1 0 3g L 添加劑 2 4ml L pH值 4 5 4 5 電流密度 2A dm2 4 干燥 吹風機吹干 5 2膜層厚度的測量磁性法測厚實驗步驟 以FischerMIOB型磁性測厚儀為例說明 1 插入探頭 打開儀器電源 2 在儀器面板上輕按一下APPL鍵 再按一下CAL鍵 3 調零 4 校準 5 第2次校準 6 待CAL處指示燈熄滅后 即可測量膜層厚度 渦流法測厚實驗步驟 以PermascopE110B型渦流測厚儀為例說明 1 插入探頭 打開儀器電源 2 在儀器面板上輕按一下APPL鍵 再按一下CAL鍵 3 調零 4 校準 5 第2次校準 待C