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1、目录引言1交流阻抗技术的发展历史1基本原理1电极系统的交流阻抗3交流阻抗技术的应用4需要注意的问题5发展和应用前景5引言交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的措施，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段，其应用范畴已经超过电化学领域,越来越广泛。目前应用交流阻抗技术较多的如电化学领域中研究电极过程、金属腐蚀机理和耐蚀性能、缓蚀剂性能评价等;生物领域中研究生物膜的性能等;物理学领域研究电子元器件、导电材料的性能等;材料科学中研究材料的力学性能以及材料表面改性后的性能评价等。交流阻抗技术的发展历史交流阻抗法系指小幅度正弦波交流阻抗法,是控制电极电流(或电位)按正弦波规律随时间变化,同步测量相
2、应的电极电位(或电流)随时问的变化,或者直接测量电极的交流阻抗，进而计算多种电极参数。随着电化学理论的不断完善与发展,电化学措施也得到了相应的发展。在电化学测量中做出了重要奉献的是Sern和她的同事。她们在957年提出了线性极化的重要概念,虽然线性极化技术有着一定的局限性,但在实验室和现场迅速测定腐蚀速度时还是一种简朴可行的措施。腐蚀工作者在随后的十余年中又做了许多工作,完善和发展了极化电阻技术。电子技术的迅速发展增进了电化学测试仪器的发展,现代电子技术的应用和用于暂态测量测试仪器的浮现,某些迅速测量措施和暂态响应分析措施也得到了发展,最典型的例子就是交流阻抗技术的发展。最初测量电化学电阻采用
3、交流电桥和李沙育措施等，这些措施既费时间又较繁琐,干扰影响也大。随着电子技术的发展,锁相技术和有关技术的仪器(如频率响应分析仪、锁相放大器等）被用于交流阻抗测试,它们的敏捷度高,测试以便,并且容易应用扫频信号实现频域阻抗图的自动测量。后来可以运用时频变换技术从暂态响应曲线得到电极系统的阻抗频谱,从而实现了在线测量,追踪电极表面状态的变化。近来一种运用震动探针电极测量局部电极阻抗的技术也得到开发。计算机技术引入电化学领域,可以由计算机对电化学交流阻抗测量进行控制,自动完毕数据采集和数据分析。基本原理交流阻抗措施是用小幅度交流信号扰动电解池,并观测体系在稳态时对扰动的跟随的状况，同步测量电极的交流
4、阻抗，进而计算电极的电化学参数。由于电极过程可以用电阻和电容C构成的电化学等效电路来表达,因此交流阻抗技术实质上是研究RC电路在交流电作用下的特点和规律。一种正弦交流电压可表达到：式中,0为交流电压的幅值；t为时间;为正弦波角频率。角频率为根据欧拉公式,上式也可写为指数表达式：在将一种正弦波的交流电压E加到一种纯电阻上时,根据欧姆定律，流过电阻的电流为交变电压与电流的相位相似(相位移角）。因此，一种纯电阻的交流阻抗为：即纯电阻R的交流阻抗等于纯电阻。当将一种正弦波的交流电压加到一种电容为C的抱负电容器上时则相应的电流为:感应值为L的“纯”电感来说,其阻抗为：如果加到一种有限性元件构成的电路上的
5、交流电压为：则流过电路的电流可以写成：电路的交流阻抗为：一种电路的交流阻抗是一种矢量,这个矢量的模值为：矢量的幅角为将交流阻抗以复数的形式表达,按欧拉公式展开 电路的复导纳为复阻抗的倒数,用Y表达电路的导纳也是一种矢量对于一种由Rp和Cp并联的电路电路的导纳由各个并联的元件的导纳相加，整个电路的导纳为：Bode图（og|Z|log, lg）：由S串联电路电路的阻抗为:=ZR+ZCRC串联电路阻抗Boe 图:电极系统的交流阻抗电解池是一种相称复杂的体系，显然不同于由简朴的电学元件，如电阻、电容等构成的电路。当一种电极系统的电位变化时,流过电极系统的电流也相应地变化。这种电流来自两个部分：1来自电
6、极反映的电流按照电极反映动力学的规律随电位的变化而变化;直接用于电极反映的电流，叫法拉第电流。2.自电位变化时双电层两侧电荷密度发生变化而引起的“充电”电流；称非法拉第电流。交流阻抗技术的应用交流阻抗措施是一种暂态电化学技术,属于交流信号测量的范畴,具有测量速度快,对研究对象表面状态干扰小的特点,因此在实际科研工作中,交流阻抗技术的应用范畴非常广泛。老式电化学措施只能研究金属表面膜的性能,而对其成膜过程的研究却受到限制。交流阻抗措施因以测得很宽范畴的阻抗谱来研究电极体系,可以获得比常规措施更多的动力学信息和界面构造信息。应用交流阻抗措施对铝合金表面稀土转化膜进行研究,发现铈膜的成膜机理及其优良
7、的耐蚀性能。在胶凝材料方面,研究孔构造常用的措施有压汞法、氦记录法和氮吸附法等。由于检测仪器的局限性,在应用上述措施时,被测试样的体积均规定很小。这对于混凝土类多组分复合的非均质材料,采用局部微小体积进行分析,显然所获成果是有局限性的。近年来交流阻抗谱技术在混凝土材料方面的研究方兴未艾,研究成果表白，交流阻抗谱与混凝土的孔构造有密切的关系，并且交流阻抗谱的电学参数可反映出材料构成对孔构造的影响。特别是用于交流阻抗谱分析的试样体积可以是胶砂试件或混凝土抗压强度原则试件,克服了其他检测措施试样体积小的局限性。交流阻抗谱检测过程时间短并且是非破损检测,可在同一试件上进行孔构造分析和力学破坏实验,因此
8、，运用交流阻抗谱措施分析孔构造并建立材料孔构造与力学性能的关系更为直接可靠。在胶凝材料力学性能与孔构造的关系的基本上,从交流阻抗谱表征孔构造的两个电学参数出发,建立了力学性能与交流阻抗谱之间的关系,并进一步研究了胶凝材料品种、构成与交流阻抗谱和力学性能之间的关系,指出了多种不同因素对力学性能的不同影响。交流阻抗技术是随着电化学理论和测试技术的发展而浮现的，因此其最重要的应用领域还是电化学领域，重要用于研究电极过程、金属的腐蚀行为、缓蚀剂等。目前用于电极过程研究的措施诸多,交流阻抗是其中常用的措施,通过度析阻抗谱浮现的频率和谱图形状随电极制备及反映条件的变化可以得到电极过程的重要信息。用交流阻抗
9、措施研究了广泛使用的固体氧化物燃料电池(SOFC）阴极材料La0.8Sr0.2MnO3(LSM)高温电极上进行的氧电化学还原反映。SM电极上进行的氧电化学反映非常复杂,其电极过程随电极成分、制备措施、焙烧温度的不同而不同,且在一种电极上也许浮现多种控制环节同步起作用。srgarde应用交流阻抗法发现氧在L电极上存在三个反映过程。交流阻抗措施的特殊性决定了在一次频率扫描中,不同的电极过程可以在不同的频率范畴浮现,因此可以运用该措施对不同的电极过程分别研究,从而成为SM电极研究的有效工具。金属阳极溶解往往波及到Fady吸附及脱附过程。由于表面过程一般有较大的弛豫,且不同过程的弛豫时间有较大差别,因
10、此采用宽频率范畴的交流阻抗谱来研究表面过程尤为有利。用交流阻抗技术结合电子计算机研究电极反映过程,可以求出多种分环节的动力学参数,进一步模拟相应的电极过程。电极双电层的微分电容在研究电化学反映以及电极表面状态过程中是重要的测量指标,复数平面图法、阻抗频谱法在获得微分电容参数方面优于其她措施。电化学阻抗谱（EIS）措施作为一种无损伤、原位（Insitu)电极过程的电化学测试技术,已比较普遍地应用于MHN电池的研究中,张文虎等运用交流阻抗法,对型Mi电池的循环充放电过程进行跟踪研究,揭示电池在1倍率充放电循环过程中,电池内部溶液电阻、双电层电容、Warbr阻抗等电化学参数的变化规律,进一步理解电池
11、在实验过程中正负极、电解液、隔阂的变化状况，对如何提高电池的循环充放电寿命提供了某些实验数据及其变化规律。在金属腐蚀行为的研究工作中,交流阻抗实验措施应用比较多。重要用来研究金属材料在多种环境中的耐蚀性能和腐蚀机理。应用交流阻抗法对不锈钢在干湿交替环境下的腐蚀进行的研究,发现交流阻抗法监测金属腐蚀过程可以不受电极表面电流分布不均匀的影响,并且交流阻抗谱可以清晰地反映出钝化、孔蚀和再钝化过程,甚至可以探测到孔蚀的产生和成长。需要注意的问题应用交流电技术时的某些共性问题以及应用交流阻抗技术自身影响实验的因素需要加以注意。（1)鼓励信号的频率。交流阻抗测量可以在超过7个数量级的频率范畴内进行,常用的
12、频率范畴是1MHz10mHz。对于腐蚀体系来说,常需要低频信息,而低频阻抗的测量一般难度较大。高频的上限重要受恒电位仪相位移的限制。(2）线性。考虑到基元反映环节的速率是指数性依赖于电位的，电化学过程在本质上是非线性的,然而最充足发展的交流电理论全是线性理论,这意味着要使用它们就要将鼓励信号幅值保持足够小,以使体系成为非常近似于线性。(3)谬误的响应。交流电技术易于因测量回路中的谬误效应而产生歪曲。在高频时恒电位仪易发生相位移,接线之间浮现杂散电容,接线和电池内部构造产生自感应。设计良好的电池可以在一定限度上减轻这些问题。由于交流阻抗鼓励信号较弱，杂散电噪声或市电电源都会对实验产生干扰，一般需
13、要将电池和检测回路屏蔽起来，以减少这种影响。发展和应用前景随着电化学研究的进一步,规定不断发展适应金属电极特点的研究和测试措施,测试仪器也必将进一步发展,以期获得金属电极表面上进行的复杂电极过程的信息。因此,交流阻抗测试仪器将会进一步提高单薄信号的检测能力和抗环境干扰能力。可以测量金属电极微局部阻抗信息的技术将会得到发展,这将为电化学领域研究金属的局部腐蚀机理和特性提供新的研究手段。计算机技术将与电化学交流阻抗技术进一步融合,计算机控制测量仪器和数据解决能力进一步增强,简化了阻抗测量操作程序，提高了实验效率。交流阻抗技术的应用领域也将进一步拓宽,不仅是电化学研究的有力工具,并且将为其她诸如生物、环境、电子、材料、土建等领域的研究工作提供新的机遇。
