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模擬大氣環境下LY12鋁表面液膜形成過程的環境掃描電鏡研究
上一篇 / 下一篇 2008-05-23 00:01:19/ 個人分類：文獻
姚琲，黃彥維，李春艷，薛濤，張長亮
（天津大學分析測試中心，天津大學材料學院，天津，300072）
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國家重點基礎研究發展規劃項目 G19990650
作者簡介：姚琲，男，1956生，教授，博導，主要從事方向為測試計量技術與儀器
摘要：采用環境掃描電子顯微鏡模擬大氣環境，并實時觀察積有灰塵、油污、鹽粒子的LY12鋁表面液膜形成過程。分析表明，受到以上污染的樣品表面比潔凈的樣品更容易形成液膜，為大氣腐蝕的發生創造了條件。
關鍵詞：環境掃描電鏡；鋁；大氣腐蝕；液膜
1 引言
金屬在常溫下大氣中的腐蝕稱為大氣腐蝕。在通常的環境條件下，金屬表面都會形成一層很薄的水膜。城市環境大氣中含有較多的二氧化硫和氮氧化合物，海洋環境大氣中的微小水滴含有較高濃度的氯離子，這些物質很容易穿過金屬表面的薄液膜，為形成電化學腐蝕提供了條件。表面結露并形成液膜是金屬大氣腐蝕的早期階段，環境條件和金屬表面的各種污染物都會對液膜形成和金屬大氣腐蝕行為產生影響。
徐乃欣等利用光學顯微鏡和照相裝置研究了金屬表面結露行為的影響因素[1]，我們用環境掃描電鏡觀察了金屬表面液膜形成動態過程。
應用環境掃描電子顯微鏡，可以在一定的范圍內調節樣品表面的壓力、溫度或濕度，無需對含水、含油、非導電、被污染的樣品進行任何處理就可以實現高分辨動態觀察。本文利用環境掃描電鏡近似模擬大氣環境下LY12鋁表面液膜的形成過程，研究了各種污染物對液膜形成的影響，是一項具有特色的研究方法。
2 試驗方法
實驗材料為LY12合金鋁，試樣尺寸為5mm×5mm×1.8mm。試樣表面用砂紙逐級拋光，再用蒸餾水、乙醇沖洗。實驗共準備了分別沾有灰塵、油污和鹽粒的三組試樣。
用PHILIPS XL-30 ESEM環境掃描電鏡模擬大氣環境，通過調節樣品室內水蒸氣的壓力和樣品臺的溫度，改變樣品附近的濕度，在不同放大倍數下，觀察樣品表面液膜的形成和變化過程。
3試驗結果和討論
3.1積灰塵LY12鋁表面形貌分析
一般說來，積塵表面的金屬比較容易受腐蝕，一方面是由于一部分固體沉積物本身就是腐蝕性物質（如硫酸銨），另一方面由于固體沉積物同金屬表面形成的縫隙的毛細凝聚作用，使得在較低的相對濕度下，固體沉積物下面會有水珠凝聚，形成液膜，空氣中的氧或其它氧化性的物質穿過液膜，造成腐蝕金屬[2-4]。
在液膜形成的模擬實驗中，為在樣品室中得到合適的濕度，同時又滿足電鏡氣體二次電子探測器工作和獲得較高質量電子束的需要，將水蒸氣壓力設定為5.0Torr。根據壓力、溫度和濕度的換算關系，見表１，改變溫度即可獲得實驗所需的各種濕度值。
在實驗中，當溫度降至0℃時，積塵區鋁表面發生結露，隨后露珠增大，漸漸連成液膜（圖1中襯度較低的區域）。我們選擇了不同的區域，在多種放大倍數下觀察液膜成長動態過程。當溫度降到－1℃時，潔凈區的鋁表面也開始結露。
圖1是樣品臺溫度為0.5℃，壓力為5.0Torr，放大倍數200時的環境掃描電鏡照片。
Fig.1 0.5℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on dust covered Al surface(zoom in 200)
3.2積油污LY12鋁表面形貌分析
溫度降至0℃時，結露先發生在油污區，隨時間的延長，露珠逐漸變大，沿著油污區擴展而變成液膜。和無油污區相比較，油漬增加了鋁表面的可浸潤性,所以有利于液膜的形成。
從圖2、圖3可以看出，由于油和水密度不同，并且二者相容性差，我們看到“鑲嵌”在油中的水珠和漂浮在水上的油珠。（圖中襯度較高的為水珠，襯度較低的為油珠）而干凈區鋁表面則沒有露珠出現。
Fig.2 1.0℃，5.0Torr， Photograph of oil smear covered Al surface(zoom in 200)
3.3積鹽粒子LY12鋁表面形貌分析
在海洋大氣中各種金屬較容易腐蝕[5-6]，因為，金屬表面處于濕潤狀態，有充分的氧和較高濃度的氯粒子供應，使金屬表面不能生成具有保護性的氧化物膜，所以很容易被腐蝕。NaCl有很強的吸濕性，并能溶于金屬表面液膜形成強腐蝕性的介質，它對金屬腐蝕行為的影響是很大的，因此這部分研究很具實際意義。
試驗采用NaCl飽和溶液，滴于樣品表面。樣品在室溫下放置，由于溶液不斷蒸發，鹽粒子析出，如圖4。當溫度降至2.8℃時，鹽粒子區結露，進而形成液膜，如圖5。而無鹽區仍然保持著原來的狀態。
液膜中滲透力極強的Cl-1對金屬腐蝕的影響是很大的，若Cl-1含量增多，則電導率變高，在這種腐蝕介質存在的條件下，金屬表面難以保持穩定的鈍態，易產生空蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕等[7]。
Fig.4 4.0℃, 5.0Torr，Photograph ofsalt covered Al surface(zoom in 150)
Fig.5 2.8℃, 5.0Torr，Photograph of liquid film on salt covered Al surface(zoom in 600)
4：結論
1 利用環境掃描電鏡，通過調整溫度、壓力來間接改變濕度，從而模擬大氣環境來研究受污染的金屬表面的水膜成膜過程是可行的。本方法分辨率高，實時性強，是研究大氣腐蝕的特色方法。
2 與潔凈樣品相比，積塵、油污、鹽粒子金屬表面較容易結露形成液膜，為發生電化學反應創造了條件，從而加速了大氣腐蝕的發生。
參考文獻：
[1] 徐乃欣，趙靈源，丁翠紅等．碳鋼大氣腐蝕時表面結露行為的某些影響因素[J]．腐蝕與防護，2001，22(12)：523
[2] Biestek T．Atmospheric Corrosion[M]．New York：John Wiley，1982：631
[3] Firel J J．Atmospheric corrosion products on Al，Zn and AlZn metallic coatings[J]．Corrosion，1986，42：422-426
[4] Almeida M,Morcillo M,Rosales B．Atmospheric Corrosion of zinc [J]．Br．Corros．J．，2000，35：289-296
[5]Feliu S，Morcillo M，Chico B．Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate[J]．Corrosion，1999，55：883-891
[6]J．R．Vilche， F．E．Varela，G．Acuna，E．N．Codaro，B．M．Rosales，A．Fernandez and G．Moriena． A survey of Agentinean atmospheric corrosion：I-Aluminium and Zinc samples[J]．Corrosion Science，1995，37(6)：941-961
[7] 黃淑菊．金屬腐蝕與防護[M]．西安：西安交通大學出版社，1987：208
Investigation of the Water Film Forming on the Surface of LY12 Al under the Simulated Atmospheric Environment by Using Environmental Scanning Electron Microscope
PeiYao, Yanwei Huang, Chunyan Li, Tao Xue, Chang Liang Zhang
Center for Analysis of TianjinUniversity, School of Material of TianjinUniversity
（天津大學分析測試中心，天津大學材料學院，天津，300072）
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國家重點基礎研究發展規劃項目 G19990650
作者簡介：姚琲，男，1956生，教授，博導，主要從事方向為測試計量技術與儀器
摘要：采用環境掃描電子顯微鏡模擬大氣環境，并實時觀察積有灰塵、油污、鹽粒子的LY12鋁表面液膜形成過程。分析表明，受到以上污染的樣品表面比潔凈的樣品更容易形成液膜，為大氣腐蝕的發生創造了條件。
關鍵詞：環境掃描電鏡；鋁；大氣腐蝕；液膜
1 引言
金屬在常溫下大氣中的腐蝕稱為大氣腐蝕。在通常的環境條件下，金屬表面都會形成一層很薄的水膜。城市環境大氣中含有較多的二氧化硫和氮氧化合物，海洋環境大氣中的微小水滴含有較高濃度的氯離子，這些物質很容易穿過金屬表面的薄液膜，為形成電化學腐蝕提供了條件。表面結露并形成液膜是金屬大氣腐蝕的早期階段，環境條件和金屬表面的各種污染物都會對液膜形成和金屬大氣腐蝕行為產生影響。
徐乃欣等利用光學顯微鏡和照相裝置研究了金屬表面結露行為的影響因素[1]，我們用環境掃描電鏡觀察了金屬表面液膜形成動態過程。
應用環境掃描電子顯微鏡，可以在一定的范圍內調節樣品表面的壓力、溫度或濕度，無需對含水、含油、非導電、被污染的樣品進行任何處理就可以實現高分辨動態觀察。本文利用環境掃描電鏡近似模擬大氣環境下LY12鋁表面液膜的形成過程，研究了各種污染物對液膜形成的影響，是一項具有特色的研究方法。
2 試驗方法
實驗材料為LY12合金鋁，試樣尺寸為5mm×5mm×1.8mm。試樣表面用砂紙逐級拋光，再用蒸餾水、乙醇沖洗。實驗共準備了分別沾有灰塵、油污和鹽粒的三組試樣。
用PHILIPS XL-30 ESEM環境掃描電鏡模擬大氣環境，通過調節樣品室內水蒸氣的壓力和樣品臺的溫度，改變樣品附近的濕度，在不同放大倍數下，觀察樣品表面液膜的形成和變化過程。
3試驗結果和討論
3.1積灰塵LY12鋁表面形貌分析
一般說來，積塵表面的金屬比較容易受腐蝕，一方面是由于一部分固體沉積物本身就是腐蝕性物質（如硫酸銨），另一方面由于固體沉積物同金屬表面形成的縫隙的毛細凝聚作用，使得在較低的相對濕度下，固體沉積物下面會有水珠凝聚，形成液膜，空氣中的氧或其它氧化性的物質穿過液膜，造成腐蝕金屬[2-4]。
在液膜形成的模擬實驗中，為在樣品室中得到合適的濕度，同時又滿足電鏡氣體二次電子探測器工作和獲得較高質量電子束的需要，將水蒸氣壓力設定為5.0Torr。根據壓力、溫度和濕度的換算關系，見表１，改變溫度即可獲得實驗所需的各種濕度值。
在實驗中，當溫度降至0℃時，積塵區鋁表面發生結露，隨后露珠增大，漸漸連成液膜（圖1中襯度較低的區域）。我們選擇了不同的區域，在多種放大倍數下觀察液膜成長動態過程。當溫度降到－1℃時，潔凈區的鋁表面也開始結露。
圖1是樣品臺溫度為0.5℃，壓力為5.0Torr，放大倍數200時的環境掃描電鏡照片。
Fig.1 0.5℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on dust covered Al surface(zoom in 200)
3.2積油污LY12鋁表面形貌分析
溫度降至0℃時，結露先發生在油污區，隨時間的延長，露珠逐漸變大，沿著油污區擴展而變成液膜。和無油污區相比較，油漬增加了鋁表面的可浸潤性,所以有利于液膜的形成。
從圖2、圖3可以看出，由于油和水密度不同，并且二者相容性差，我們看到“鑲嵌”在油中的水珠和漂浮在水上的油珠。（圖中襯度較高的為水珠，襯度較低的為油珠）而干凈區鋁表面則沒有露珠出現。
Fig.2 1.0℃，5.0Torr， Photograph of oil smear covered Al surface(zoom in 200)
Fig.3 0℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on oil smear covered Al surface(zoom in 200)
3.3積鹽粒子LY12鋁表面形貌分析
在海洋大氣中各種金屬較容易腐蝕[5-6]，因為，金屬表面處于濕潤狀態，有充分的氧和較高濃度的氯粒子供應，使金屬表面不能生成具有保護性的氧化物膜，所以很容易被腐蝕。NaCl有很強的吸濕性，并能溶于金屬表面液膜形成強腐蝕性的介質，它對金屬腐蝕行為的影響是很大的，因此這部分研究很具實際意義。
試驗采用NaCl飽和溶液，滴于樣品表面。樣品在室溫下放置，由于溶液不斷蒸發，鹽粒子析出，如圖4。當溫度降至2.8℃時，鹽粒子區結露，進而形成液膜，如圖5。而無鹽區仍然保持著原來的狀態。
液膜中滲透力極強的Cl-1對金屬腐蝕的影響是很大的，若Cl-1含量增多，則電導率變高，在這種腐蝕介質存在的條件下，金屬表面難以保持穩定的鈍態，易產生空蝕、縫隙腐蝕、晶間腐蝕等[7]。
Fig.4 4.0℃, 5.0Torr，Photograph ofsalt covered Al surface(zoom in 150)
Fig.5 2.8℃, 5.0Torr，Photograph of liquid film on salt covered Al surface(zoom in 600)
4：結論
1 利用環境掃描電鏡，通過調整溫度、壓力來間接改變濕度，從而模擬大氣環境來研究受污染的金屬表面的水膜成膜過程是可行的。本方法分辨率高，實時性強，是研究大氣腐蝕的特色方法。
2 與潔凈樣品相比，積塵、油污、鹽粒子金屬表面較容易結露形成液膜，為發生電化學反應創造了條件，從而加速了大氣腐蝕的發生。
參考文獻：
[1] 徐乃欣，趙靈源，丁翠紅等．碳鋼大氣腐蝕時表面結露行為的某些影響因素[J]．腐蝕與防護，2001，22(12)：523
[2] Biestek T．Atmospheric Corrosion[M]．New York：John Wiley，1982：631
[3] Firel J J．Atmospheric corrosion products on Al，Zn and AlZn metallic coatings[J]．Corrosion，1986，42：422-426
[4] Almeida M,Morcillo M,Rosales B．Atmospheric Corrosion of zinc [J]．Br．Corros．J．，2000，35：289-296
[5]Feliu S，Morcillo M，Chico B．Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate[J]．Corrosion，1999，55：883-891
[6]J．R．Vilche， F．E．Varela，G．Acuna，E．N．Codaro，B．M．Rosales，A．Fernandez and G．Moriena． A survey of Agentinean atmospheric corrosion：I-Aluminium and Zinc samples[J]．Corrosion Science，1995，37(6)：941-961
[7] 黃淑菊．金屬腐蝕與防護[M]．西安：西安交通大學出版社，1987：208
Investigation of the Water Film Forming on the Surface of LY12 Al under the Simulated Atmospheric Environment by Using Environmental Scanning Electron Microscope
PeiYao, Yanwei Huang, Chunyan Li, Tao Xue, Chang Liang Zhang
Center for Analysis of TianjinUniversity, School of Material of TianjinUniversity
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