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1、金属的腐蚀与防护 1 工程结构材料的三种破坏形式是 断裂 磨损 腐蚀 腐蚀 当金属与周围介质接触时发生化学作用或电化学作用而引起金属的破坏 2 3 为什么会被腐蚀 腐蚀条件和原理 讨论 根据日常生活中的经验 谈谈钢铁在哪些场所易被腐蚀 1 与强酸接触的钢铁容易生锈 2 在潮湿的空气中钢铁容易生锈 3 没洗干净的铁锅很容易生锈 4 高温炉中钢铁管道表面易生成氧化层 为什么在酸性条件下 铁容易被腐蚀 你能用离子方程式来说明问题吗 Fe 2H Fe2 H2 金属腐蚀的本质都是金属原子失电子被氧化的过程 潮湿的环境 和 没洗干净的铁锅 高温 表明钢铁腐蚀需要怎样条件呢 腐蚀条件 4 金属与周围介质直接
2、发生氧化还原反应而引起的腐蚀叫化学腐蚀 1 化学腐蚀 化学腐蚀发生在非电解质溶液中或干燥的气体中 如 钢铁的高温氧化脱碳 石油或天然气输送管部件的腐蚀等 1腐蚀的分类 5 化学腐蚀反应举例 1 钢铁的高温氧化 2 钢的脱碳 高温 高温 致密 疏松 易龟裂 向纵深腐蚀 6 金属与潮湿的空气或电解质溶液接触时 由于形成原电池发生电化学作用而引起的金属腐蚀 电化学腐蚀有电流产生 例如 钢铁在潮湿的环境中生锈 发生的就是电化学腐蚀 2 电化学腐蚀 7 1 析氢腐蚀 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H 2e H2 阳极 Fe 2e Fe2 阴极 2H2O O2 4e 4OH 2 吸氧腐蚀 3 差异充气
3、腐蚀 腐蚀液 NaCl K3 Fe CN 6 酚酞 滴在光滑铁片 中央变蓝 因 O2 小 小 作为阳极 Fe 2e Fe2 2H2O O2 4e 4OH 生成OH 后使酚酞变红 吸氧腐蚀比析氢腐蚀更为普遍 遇 Fe CN 6 3 变蓝边缘变红 因 O2 大 大 作为阴极 8 直接反应 形成原电池 无电流 有电流 金属被腐蚀 活泼金属被腐蚀 两者同时发生 电化学腐蚀更普遍 化学腐蚀与电化学腐蚀比较 9 电化学内容回顾 10 因为 rGm nFE和 rGm nFE 对于电池反应aA aq bB aq gG aq dD aq 的电动势为 11 对于电极反应 a 氧化态 ne b 还原态 在298 1
4、5K时的电极电势 电极电势电极与电解质溶液接触时产生的电势 标准电极电势是以标准氢电极的电极电势为0时的相对值 12 氧化剂和还原剂相对强弱的比较电极电势代数值越小 则该电对中的还原态物质是越强的还原剂 电极电势代数值越大 则该电对中的氧化态物质是越强的氧化剂 氧化还原反应方向的判断电极电势代数值较大的氧化态物质与较小的还原态物质之间发生的氧化还原反应能自发进行 即 正 负 相当于 rGm 0 氧化还原反应进行程度的衡量氧化还原反应的程度可由标准平衡常数K 的大小来评价 在298 15K时 13 2 金属腐蚀速率的影响因素 1 金属本质 2 介质性质 3 温度 14 3金属腐蚀的防止 1 改变
5、金属的内部结构 2 表面保护层法 根据腐蚀产生的原因和条件 采取的防腐途径 破坏腐蚀形成条件 减缓腐蚀速度 3 阴极保护法 15 将被保护的金属作为腐蚀电池或电解池的阴极而不受腐蚀 一般分为牺牲阳极保护法和外加电流法 1 牺牲阳极保护法 用较活泼的金属如Zn Al连接在被保护的金属上 被保护的金属作为腐蚀电池阴极而达到不遭腐蚀的目的 16 2 外加电流法 将被保护金属作为电解池阴极 在直流电的作用下阴极受到保护 利用电解装置 只要外加电压足够强 就可使被保护的金属不被腐蚀 此法可用于防止土壤 海水和河水中金属设备的腐蚀 外加电流法示意图 17 3 气相缓蚀剂 如亚硝酸二环己烷基胺 1 无机缓蚀
6、剂 主要在中性或碱性介质中采用 在金属的表面形成氧化膜或沉淀物 如铬酸盐 重铬酸盐 磷酸盐 碳酸氢盐等 2 有机缓蚀剂 在酸性介质中 一般是含有N S O的有机化合物 常用的缓蚀剂有乌洛托品 若丁等 4 缓蚀剂法 18 自来水管通常都是铁管 某人认为铜比铁更耐腐蚀 于是把家里大部分自来水管换成了铜管 结果没过多久 发现少数未更换的铁管反而发生了严重腐蚀而穿孔 这是为什么 现代汽车工业中公认镀锌钢板是最耐腐蚀的钢板 为什么镀锌钢板能耐腐蚀 讨论 19 单独看 铜一般是比铁耐腐蚀 但把铜管和铁管连在一起置于水介质中就组成了原电池 腐蚀电池 铁的电极电位比铜负 成为阳极被加速腐蚀了 镀锌钢板就是表面
7、覆盖了一层锌的钢板 由于通常在大气环境形成腐蚀电池时 锌的电极电位比铁负 因而成为腐蚀电池的阳极优先腐蚀 从而对钢铁基体起对了保护作用 使钢板不容易腐蚀 答案 20 金属腐蚀与防护小结 1 金属的腐蚀可分为 化学腐蚀和电化学腐蚀 2 电化学腐蚀在 潮湿 空气 电解质溶液或海水 河水环境中发生 因而形成了腐蚀电池 3 电化学腐蚀分为两种 析氢腐蚀 酸性介质中 和吸氧腐蚀 中性或碱性介质中 4 金属腐蚀的本质 金属原子失电子被氧化5 金属的防护方法主要有改变组成法 保护层法 阴极保护法和缓蚀剂法 21 Thankyou 22 Chapter10Electricalprocessinpreparat
8、ionofmicrometricmaterials Dec 9th 2011 23 Introduction Theprinciplesofelectrochemistrymaybeadaptedforuseinthepreparationofcommerciallyimport antquantitiesofcertainsubstances bothin organicandorganicinnature inorganicprocessorganicprocess 24 Inorganicprocess electrolyticprocesselectrothermicprocessmi
9、scellaneousprocess Twofunctionin cluded Electricdis chargethroughgases2 Separationbyelectricalmeans Chemicalandelectricalenergyareinterchanged Useelectricitytoattainthenecessarytemperatureforreaction 25 Organicprocess Selectivityandspecificityarehighlyimport antinelectro organicprocessesforthemanu f
10、actureofcomplicatedmolecules electrolyticapproach electrolyticoxidationandreduction Herecontinuousprocessingisimportant andonlyasinglephaseshouldbepresent thatis asolutionratherthananemulsion dispersion ormechanicalmixture Theelectrolyticoxidationandreductionoforganiccompoundsdifferfromthecorrespond
11、ingandmorefamiliarinorganicreactionsonlyinthatorganicreactionstendtobemorecomplexandhavelowyields 26 电化学法制备薄膜 电化学制备技术是近年来发展起来的一种简捷 低耗的材料制备工艺路线 是一种能在常温 常压下进行的环境友好工艺路线 广泛地应用于材料制备的领域当中 水热电化学技术 电化学沉积技术 电化学聚合技术都在薄膜制备技术中得到应用 特别在制备超导性薄膜材料 生物活性薄膜材料 耐蚀 耐磨 耐高温性薄膜材料领域有着重要的应用 27 1电化学聚合法制备薄膜 电化学聚合简称为电聚合 有时也称为电引发
12、聚合或电解聚合 是应用电化学方法在阴极或阳极上进行聚合反应 形成薄膜 电化学聚合通常采用双电极体系和三电极体系 工作电极采用石墨 金属 金属氧化物和半导体材料等 电解液一般包含溶剂 支持电解质和有机单体 高聚物薄膜材料 在高科技领域内具有广泛的应用前景 导电高分子薄膜材料具有非常好的导电性能 而且其导电性可以覆盖从绝缘态到金属态整个范围 可以通过电化学方法调节到所需要的导电能力 它所具有的研究价值可见一斑 电聚合方法是制备光电聚合物的一种重要的方法 聚噻吩及其衍生物 聚吡硌及其衍生物等导电聚合物薄膜材料都可以通过电化学聚合获得 28 2电化学沉积法制备薄膜 电化学共沉积和电化学体系中进行的一种
13、氧化还原反应 是两种或两种以上的元素从阴极上获得电子 并转化为合成物 所以 电化学共沉积化合物的过程有离子得到电子共同被还原出来和还原物生成两个过程组成 电化学又称为电镀 现代电化学沉积研究的有两个方向 一种是新型 符合质量和技术要求的镀层及其叠层在电子工业中的应用 如线路板 接触器中采用Cu Ni 或化学镀Ni P Sn及其合金 以及Au Ag Pd及其合金镀层 微电子镀覆 半导体材料上镀覆 以及磁记录介质和磁头中采用的磁性材料镀层 另一种则是其在制备纳米材料和纳米微加工技术中的应用 其主要优点在于所采用的仪器简单 廉价 工艺成本低 室温下即可操作 所获得的纳米材料性能却很优越 29 3水热
14、电化学法制备薄膜技术 水热电化学技术结合了水热法和电化学合成的优点 能很好的制备陶瓷薄膜 尤其是钙钛矿结构的陶瓷薄膜 得到制备的薄膜或涂层具有更高的均匀性和致密性 现在水热电化学法制备材料主要是BaTiO3 SrTiO3等压电陶瓷和CaWO4 CaMoO4等荧光材料 30 电化学法制备薄膜技术的应用 1 超导性薄膜材料 2 生物活性薄膜材料 3 电致变色性薄膜材料 4 耐蚀 耐磨 耐高温性薄膜材料 电化学法制备薄膜所具有的优势极大地促进了研究人员的积极性 并对它作了深入的研究 使得近几年新工艺层出不穷 近几年 许多传统的制备工艺都和电化学法结合起来 发展成为新的制备工艺 例如水热电化学 溶胶凝
15、胶电化学等 并已成为制备薄膜的热门技术 因此 电化学制备在实现物质薄膜化的过程中有着广泛的应用潜力和广阔的发展前景 31 电化学加工法制备微细工具电极 微细加工技术是本世纪最活跃的科学研究方向之一 随着军用高精端设备以及民用精密仪器的要求越来越高 出现了各种各样的微细加工技术 包括去除材料的加工 如电火花加工 电解加工 激光加工 离子束和电子束加工 微细车 铣削加工等 电解加工是基于金属电化学溶解原理基础 以离子形式去除材料的 理论上 工件加工后表面精度和加工尺寸可达到微米级以下 因此 近年来以电解加工为基础的微细电解加工技术 在微细加工中受到特别的关注 32 电化学沉积法 现代电化学沉积研究
16、的内容之一是新型 符合质量和技术要求的镀层及其叠层在电子工业中的应用 如线路板 接触器中采用Cu Ni 或化学镀Ni2P Sn及其合金 以及Au Ag Pd及其合金镀层 微电子镀覆 半导体材料上镀覆 以及磁记录介质和磁头中采用的磁性材料镀层 所获得的镀层及其叠层必须达到符合要求的物理 机械和电性能如密度 硬度 延性 内应力和结合力 抗张强度 表面光洁度 孔隙率 组织结构 电阻率和接触电阻等 纳米材料具有特殊的光学 力学 磁学 电学 超导 化学 电化学 催化 耐蚀以及特殊的机械学等性能 纳米技术在现代取得了突飞猛进的发展 电化学沉积研究的内容之二是其在制备纳米材料和纳米微加工技术中的应用 其主要优点在于所采用的仪器简单 廉价 工艺成本低 室温下即可操作 所获得的纳米材料性能却很优越 电化学沉积技术主要应用在于制备纳米结构材料 纳米晶块材料和微加工技术 33 电化学沉积法电致变色 Electrochromism 薄膜材料 基底是镀有SnO2透明导电膜的玻璃片 经预处理 除去表面的离子等污物 后 在电解槽中制备薄膜 基片作为阴极 阳极为99 的镍片 渡液为硝酸镍溶液 在最佳条件下制备出性能良
