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特效 & 腐蚀的经济影响

什么是腐蚀?

腐蚀是由于材料与环境之间的相互作用而导致的材料性能下降,大多数金属(以及与此相关的许多材料)的腐蚀是不可避免的。
尽管主要与金属材料相关,但是所有材料类型都易于降解。在老化的飞机上,布线上的聚合物绝缘涂层的降解一直是一个问题。甚至陶瓷也可以通过选择性溶解而降解。像死亡和税收一样,腐蚀是我们希望避免的事情;但最终这是我们必须学习处理的事情。

导致所有腐蚀的根本原因或驱动力是降低系统的吉布斯能量。几乎所有金属(以及由金属制成的工程部件)的生产都涉及为系统增加能量。

加工厂的腐蚀

由于这种艰难的热力学斗争 ,这种金属具有强大的驱动力,可以恢复其天然的低能氧化物状态。这种恢复为天然氧化物状态的现象称为腐蚀,尽管这是不可避免的,但可以使用大量的障碍物(腐蚀控制方法)来减缓其向平衡状态的发展。

因此,通常需要关注的是达到平衡的方法的速率。该速率不仅由金属表面的性质控制,而且还由环境的性质以及两者的演变来控制。

每年的直接腐蚀成本

鉴于腐蚀的热力学基础,与腐蚀有关的成本高并不奇怪。过去30年的几项研究表明,腐蚀对工业经济的直接直接成本约为该国国民生产总值(GNP)的3.1%。在美国,这超过了$每年276B。

仅国防部的腐蚀成本就达$20 B.由于腐蚀对社会的重大经济,安全和历史影响,并且由于金属腐蚀是电化学过程,因此腐蚀部门是ECS中最古老的部门之一也就不足为奇了。

该部门成立于1942年,但腐蚀问题自1903年以来一直是该学会的重要话题。该部门的早期文献和历史回顾由Uhlig编写,以纪念该学会成立50周年和75周年,而Isaacs则进行了百年回顾。是最近出版的。鼓励希望寻找全面腐蚀信息的读者阅读Uhlig的《腐蚀手册》。

腐蚀过程

大多数腐蚀过程涉及至少两个电化学反应(一个阳极和一个阴极)。腐蚀的表面可以认为是电池短路。阳极的溶解反应为阴极的还原反应提供电子。短路是由两个物理位置之间的导体进行的电连接,这两个物理位置通常相隔很小的距离。

因此,腐蚀过程的研究涉及许多与电化学师研究电池,燃料电池以及物理和分析电化学用途相同的工具。混合电势理论在腐蚀中的应用最初由Wagner和Traud提出,后来在Petrocelli的《电化学学会杂志》上进行了讨论。

1957年,Stern和Geary从理论上分析了极化曲线的形状,为腐蚀的电化学研究中使用的主要实验技术(电化学极化)提供了基础。表面氧化物膜的形成对于降低金属溶解速度至关重要,因此腐蚀剂与那些出于其他目的研究电介质的腐蚀剂有很多共同之处。这些稀薄的< 10 nm)天然氧化物膜,通过充当溶解障碍,使金属材料的技术应用成为可能。

腐蚀类别

传统上,腐蚀会根据腐蚀的形态以及材料所处的环境类型分为八类。
均匀腐蚀或普遍腐蚀是最普遍的腐蚀类型,这种腐蚀的例子比比皆是。包括钢桥的生锈,地下管道的生锈,银的锈蚀以及铜屋顶和青铜雕像上的古铜色。任何在外面留下未保护的钢材的人都对均匀腐蚀很熟悉。

幸运的是,均匀腐蚀是可以预见的,并且可以通过各种方法来控制,例如,对表面进行喷漆或在钢上涂覆一层牺牲性金属(如锌)。为了保护下面的钢而对锌表面层进行的这种牺牲腐蚀实际上是电腐蚀或双金属腐蚀的一种形式。在这种情况下,就像在电池中一样,我们利用腐蚀是我们的优势。

某些金属(例如铝,不锈钢和钛)的表面受到自然形成的极薄氧化膜的保护,免受均匀腐蚀。材料的许多实际应用取决于这种保护性氧化物的存在。如果不是用于这种薄保护膜的话,我们将无法使用由铝制成的平面(或与此相关的几乎任何其他结构)。

不幸的是,这种膜会局部破裂,从而导致腐蚀形式,例如铝板的点蚀,不锈钢紧固件的缝隙腐蚀或核反应堆中管道的应力腐蚀开裂。保护结构和设备免受这些形式的腐蚀是必要和可能的。

可用于控制腐蚀的方法包括在金属表面上施加保护涂层以充当屏障或提供牺牲保护,向环境中添加化学物质以抑制腐蚀,改变合金化学成分以使其更耐腐蚀,以及对金属表面进行处理以提高其耐腐蚀性。

有机涂料通常是抵御腐蚀的第一道防线,例如汽车和飞机之类的物品采用涉及的涂料系统,该涂料系统由几层和多种保护机制组成。这些涂层用于将金属与环境隔离,并且它们的阻隔性能特别令人关注。

当添加到电解质中时,某些物质优先迁移到阳极和/或阴极部位,从而减缓了腐蚀过程。铬酸盐,磷酸盐,硝酸盐,钼酸盐和各种有机化合物可为发电厂,化学加工厂以及石油和天然气工业的管道系统提供腐蚀防护。

每当您添加冷却剂时,就向汽车散热器添加抑制剂。同样,将WD-40 TM喷涂在表面上也可以抑制钢的腐蚀。不锈钢是合金化以提高耐腐蚀性的经典示例。

在大多数环境中,通过添加至少12%的铬可以减轻钢的普遍锈蚀。铬改变了金属表面上自然形成的氧化膜的成分,并且在铬浓度大于12%时,该膜含有足够的氧化铬以显着减少腐蚀。其他金属(如铝和镁)上的保护膜也可以通过添加合金来改善。

由于腐蚀通常起源于金属表面,因此许多成功的腐蚀控制方法都涉及对金属表面的处理或更改。这些处理可以像对金属表面进行喷丸处理那样平凡,以提高其耐腐蚀疲劳性。或者它们可以像激光表面熔化这样的高科技,以提供光滑的,成分改变的表面。

腐蚀研究的未来趋势包括开发环境友好型缓蚀剂,准确预测结构使用寿命以及寻找使腐蚀成为美好事物的方法!许多行业将大量资金用于抑制剂。一条单独的管道每年可能要花费一百万美元购买在运输前添加到石油中的抑制剂。

虽然铬酸盐是许多金属表面腐蚀的强大抑制剂,但它具有致癌性。因此,一直在寻找与铬酸盐一样有效但对环境无害的抑制剂。这需要涉及化学,电化学,表面科学和冶金学的跨学科工作。

随着工业化国家的基础设施不断老化,由于腐蚀而导致的故障越来越多。更换所有桥梁和管道(天然气,石油,水)的费用将过高,而且由于大多数状态良好且可以提供更多年的服务,因此是不必要的。

找出哪些故障以及它们可以持续多久是使用寿命预测的功能。该领域涉及与计算机科学家,各种工程师(民用,机械,化学,电气,信息)以及经济学家的合作。精确的模型需要对尺寸超过十个数量级的过程进行精确表示(< 0.1 nm至10 m)和超过二十个数量级的时间(1 ps至50年或更长时间)。在该领域面临的巨大挑战的一个令人信服的例子是,预测被选择用来盛放高放射性废物达10,000年或更长时间的碳罐的腐蚀行为。

腐蚀可能是一件好事。可以使用溶出作用从材料中选择性地除去一种成分(称为脱合金),留下一种多孔结构,当该结构被植入时,该结构可以用来固定和缓慢洗脱药物。在冠状动脉支架表面上掺入这样的材料可以允许替换当前使用的聚合物膜,该聚合物膜在支架扩张时会破裂。以类似的方式(对双关语),镁支架正在作为生物可吸收支架得到应用。在过去的一百年里,关于腐蚀的许多知识。

这项研究提供了对腐蚀本质的了解-腐蚀的成因以及如何预防腐蚀。现在,可以使用从汽车和卡车到核废料遏制容器的各种结构和组件的使用寿命延长功能。

在1980年代之前,车辆腐蚀是美国大多数人有亲身经历的问题(作为研究生,本文的作者确实如此)。

以上文字的来源是芭芭拉·A·肖和罗伯特·G·凯利

芭芭拉·肖 是宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学教授。她是ECS腐蚀部门执行委员会的成员。她的研究兴趣包括金属(特别是轻金属)的腐蚀,耐腐蚀合金和涂层的开发,局部腐蚀以及可生物吸收的镁合金的开发。

罗伯特·凯利 是弗吉尼亚大学材料科学与工程系教授。他的研究兴趣包括金属在水性和非水性溶剂中的腐蚀,特别着重于局部腐蚀部位内部条件的建模和测量。

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原始文章作者:
芭芭拉·肖
罗伯特·凯利
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