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1、 本科生毕业设计薄液膜测试装置结构设计与制造Structure design and manufacture of thin film test equipments学生姓名张贵林所在专业机械设计制造及其自动化所在班级机制1094申请学位学士学位指导教师王贵职称教授副指导教师刘海涛职称讲师答辩时间2013年 6月 7日目 录目 录1摘 要2Abstract3第一章 ：绪论41.1 薄液层下金属腐蚀的测试方法：41.1.1大气腐蚀检测仪41.1.2 微距电极技术51.1.3微距双电极技术51.1.4丝束阵列电极(wire beam array electrodes)技术61.1.5 Kelvin
2、探针参比电极技术71.1.6其他测试技术71.2 液膜厚度控制和测量技术81.3 主要研究内容8第二章： 薄液膜下电化学测试附属装置研究92.1 薄液膜厚度控制装置92.2 薄液膜厚度测量装置11第三章：液膜厚度测试装置的设计143.1 液膜厚度测试装置所需零件及规格143.2薄液膜测试装置各零部件报价及参数283.3小结29第四章:薄液膜下金属电化学阻抗测试方法研究304.1 薄液膜阻抗测试电解池304.2薄液膜下金属极化曲线测试装置及方法研究314.2.1 薄液膜极化电解池314.2.2极化曲线测量方法314.5 小结34第五章 结论35参考文献36鸣 谢38附录39摘 要薄液膜的产生：大
3、气环境中的金属材料因温度和气候变化引起的蒸发，凝结，结露以及毛细管作用，吸附作用或化学凝聚作用，会在金属表面凝结形成薄液膜。并且薄液膜的厚度和分散程度会随昼夜和天气状况的影响。早在40年代Tpmashov就提出薄液膜厚度对大气腐蚀速度的定性影响，并已在实验中被陆续证明。但是要研究大气腐蚀的基本规律必需定量研究薄液膜下金属腐蚀行为，因此将电化学研究方法应用到薄液膜下金属腐蚀行为的研究中，设计制造合里的测试装置，试验方法和实验数据的解析方法具有重要的意义。本设计主要是针对以下几个方面进行了研究：（1） 研究了薄液膜厚度控制和测量的影响因素，优化并建立了薄液膜厚度控制和测量装置。设计的液层厚度控制装
4、置能实现薄液膜环境、厚度自动检测和控制，能够满足薄液膜层下电化学测量的要求且厚度测量误差小于5m。 （2） 建立的通过pt探针测量薄液膜层下金属极化曲线的方法，能有效的测量金属在薄液膜层下的腐蚀行为，所得的结果能按照常规电化学方法解释，与溶液中的测量结果具有可比性。关键词：薄液膜；测试装置；电极；大气腐蚀；控制2Abstract The thin liquid film: metal material in atmospheric environment caused by temperature and climate variations of evaporation, condensat
5、ion, condensation and capillary effect, adsorption and chemical coagulation, condensation will on the metal surface to form thin liquid film. Effect of thin film thickness and the degree of dispersion with diurnal and weather conditions. In the early 40s Tpmashov proposed qualitative thin film thick
6、ness on the atmospheric corrosion rate effect, and has been proved in the experiment. But the basic law of atmospheric corrosion of essential quantitative research of thin film metal corrosion behavior, so the application of electrochemical research methods to study the corrosion behavior of metal t
7、hin film in the test device, design and manufacture in the analytical method, experimental method and the experimental data is of great significance. This design is mainly for the following several aspects of the research:Study on the influential factors of thin film thickness measurement and contro
8、l, optimization and thin film thickness measurement and control device was established. Design of the liquid layer thickness control device can realize the thin liquid film thickness of environment, automatic detection and control, to meet the thin film layer electrochemical measurement requirements
9、 and thickness measurement error is less than 5 M. Established by Pt probe measurements of thin film layer metal polarization curve method, can measure the metal effective corrosion behavior in a thin liquid film layer, the results can be interpreted in accordance with the conventional electrochemic
10、al methods, with themeasurement solution of the comparability of the results.Keywords: thin film electrode atmospheric corrosion control test device第一章 ：绪论 大气腐蚀指材料或零件在大气环境下发生的腐蚀。金属置于大气环境中时，其表面通常会形成一层极薄的不易看见的湿气膜（水膜）。当这层水膜达到2030个分子厚度时，它就变成电化学腐蚀所需要的电解液膜。这种电解液膜的形成，或者是由于水分（雨、雪）的直接沉淀，或者是大气的湿度或温度变化以及其他种种原因
11、引起的凝聚作用而形成。如果金属表面只是处于纯净的水膜中，一般不足以造成强烈的电化学腐蚀。大气环境下形成的水膜往往含有水溶性的盐类及溶入的腐蚀性气体。影响腐蚀的主要因素有湿度、大气腐蚀性成分等1。 金属材料的大气腐蚀是最普遍存在的腐蚀现象，由此造成的经济损失约占总腐蚀损失的一半以上2。从20 世纪初到今天，金属材料大气腐蚀便成为材料科学，腐蚀科学研究领域中的重要容。 金属材料的大气腐蚀属于薄液膜下的电化学腐蚀3。他与金属完全浸在溶液中的腐蚀有很大区别：首先，大气中的氧通过金属表面的水膜比通过完全浸没时的液层要容易的多；其二，由于液膜厚度很薄，阳极反应可能会受到抑制。也就是说金属在大气环境中的腐蚀
12、机理与在溶液中的完全不同。同时由于液层厚度很薄，传统的电化学测试方法也难以对这种微量的电解质体系进行准确测量，原因是：带鲁金毛细管的参比电极靠近被测金属电极表面时，在毛细管口处液膜厚度和组成都发生变化，当液膜极薄时，就会发生断路；同时在薄液膜下，溶液的欧姆降很大，电流在工作电极表面分布不均匀，参比电极里的离子（如 Cl-）的微量污染等，也会给测量带来很大的误差4。 新的测试技术,随着大气腐蚀检测仪、电化学阻抗技术、kelvin 探头参比电极技术和电化学噪声技术等的发展，使薄液层下金属腐蚀行为的研究迈出了很大的一步。但各种技术仍有其不足和缺点，例如 kelvin 探针所测得电位的校准问题，以及当
13、液层极薄时参比电极及辅助电极的合理放置等。本论文将通过自行设计的实验装置，将能够模拟大气环境下金属的腐蚀过程并能测量薄液层下金属的极化曲线和电化学阻抗。1.1 薄液层下金属腐蚀的测试方法：电化学研究方法大气腐蚀的本质仍然是电化学性质的，因此，电化学原理，测量技术和数据处理方法原则上都是可以应用。但是传统电化学方法必须根据薄液膜层体系特点进行适应性改型才能获得可靠准确的数据，为了使少量的电解质均匀复盖在电极工作表面主要改进集中于减小工作电极参比电极和辅助点击，尺寸和距离。采用液膜覆盖的平整电极等以及发展非接触点位测量技术。其主要改进展现在ACM大气腐蚀检测仪。微距电极和kelvin探针技术。1.
14、1.1大气腐蚀检测仪20世纪50年代后期。Tomashov和Sereda等人提出了基于电偶腐蚀原理的大气腐蚀电化学研究方法ACM装置倚靠在多组绩效间距平行金属电极表面凝集，结露或雨雪形成薄液膜进行工作。因而适合于薄液膜层条件下腐蚀电化学研究。1.1.2 微距电极技术微距电极指小尺寸工作参比和辅助电极近距离设置并保持一覆盖薄液膜工作平面的电极系统。主要特点是电极尺寸小（可用微电极），电极间距小（可达到20微米）以尽量减小液膜电阻及各电极共平面以供少量电解质形成薄液膜。a 前置微点技术 Cox5等人采用微参比电极前置法,准确的测量了金属在液层厚度为 300m的 0.2 Mol/L Na2SO4溶液
15、中的动电位值。在此条件下，阴极反应主要由氧的扩散速度控制。氧还原反应速度随着电解液的挥发显著增加，这与氧在逐渐减薄的液层中的扩散速度增加相一致。阻抗测量结果表明，随着液层厚度的减薄，溶液阻抗逐渐增加，这与离子在逐渐减薄的液层中的迁移速度受到抑制是一致。张正等6采用自制的 Ag/AgCl 固体参比电极前置法，制作了用于 LY12CZ 铝合金在薄液膜下电化学行为研究的三电极腐蚀电池并研究了薄层液膜浓度和厚度对 LY12CZ 铝合金极化电阻 Rp、阳极极化行为和 EIS 的影响。张鉴清7采用这种方法研究了铝合金在 200 微米以下薄液膜下腐蚀行为。前置参比电极技术在薄液层下金属腐蚀性为研究中的缺点是溶液欧姆降较大、参比电极中的离子会渗入到薄液膜中，从而影响测量结果的可靠性。b 后置微距参比电极技术 张学元、杜元龙等8采用后置微参比电极技术测试了薄液层下金属的腐蚀行为，研究了铜在不同液膜厚度（61333m）下的阳极极化行为及腐蚀电位的变化。结果表明随着液层厚度的减薄,Cu 的腐蚀电位逐渐增大且阳极极化曲线由Tafel 区转向极限电流控制区
