一种实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置的制作方法

本实用新型属于多层涂层体系的腐蚀与防护研究领域，具体为一种可实现多层涂层体系层间闭塞区离子浓度与体系各部分电化学参数实时原位监测的实验装置。

背景技术：

多层涂层体系在众多的领域中有着极其广泛的应用，如：用于船舶、桥梁的结构材料的有机防护涂层体系多由底层重防腐底漆、连接层中间漆和表层耐候漆等多层有机涂层构成，用于飞机发动机压气机的无机可磨耗封严涂层体系也由表层的可磨耗封严涂层中间连接层(如：等离子喷涂镍铝涂层等)和基体组成。组成上述涂层体系的各个涂层都存在一定的孔隙率并成为腐蚀介质提供通道，腐蚀介质可透过表层经中间层最终到达基体，特别是对于由多种金属组成的无机多层涂层体系，由于各层的电化学活性不同，层与层间还会发生层间电偶腐蚀，致使涂层及基体的腐蚀问题更为严重，导致灾难性的后果。

侵蚀性离子在各层间的扩散导致涂层及被防护的金属基材失效，并在涂层体系中出现闭塞区，闭塞区的出现将对涂层体系的电化学参数有显著的影响。了解侵蚀性离子在多层涂层体系中各层间的扩散行为特征是了解整个腐蚀过程的关键，也是捕获服役过程中涂层使役性能的突破口。若要阐释在全寿命周期内防护涂层体系失效的微观机制以及对涂层的使役性能进行实时的监检测，原位测试装置必不可少，但当今对多层防护涂层体系的研究仅局限于对整个涂层体系的电化学监检测，尚缺乏针对侵蚀性离子在涂层体系中各层间的扩散行为的电化学检测手段。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种可实现多层涂层体系层间闭塞区离子浓度与体系各部分电化学参数实时原位监测的实验装置，用于研究多层涂层体系层间闭塞区溶液离子浓度的实时变化情况，并可将涂层体系各部分电化学参数的变化与腐蚀过程中离子扩散情况相联系，阐释多层涂层体系在全寿命周期内腐蚀破坏的微观机制。

本实用新型的技术方案是：

一种实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，该装置包括：电解池、移液管、橡皮胶塞、带连接层的基体、涂层单独层、贮液管、带鳄鱼电夹导线一、带鳄鱼电夹导线二、带鳄鱼电夹导线三、带鳄鱼电夹导线四、对电极、参比电极、电化学工作站，具体结构如下：

贮液管水平设置，涂层单独层与带连接层的基体分别用硅橡胶密封嵌于贮液管的顶部管口与底部管口之间贮液管内侧壁，涂层单独层与带连接层的基体相对设置，带连接层的基体在贮液管外部与带鳄鱼电夹导线一、带鳄鱼电夹导线二相连，涂层单独层在贮液管外部与带鳄鱼电夹导线三相连，带连接层的基体或涂层单独层作为工作电极，通过由不同导线的相互连接而改变所选工作电极；贮液管的上方设置移液管，贮液管的侧面顶部设置一取液孔，所述取液孔采用橡皮胶塞塞住，橡皮胶塞取出后贮液管与移液管相连通；工作电极、参比电极与对电极置于电解池内组成三电极体系，并与电化学工作站对应接口相连。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，工作电极通过带鳄鱼电夹导线一、带鳄鱼电夹导线二、带鳄鱼电夹导线三与带鳄鱼电夹导线四的连接变化，带鳄鱼电夹导线四始终与电化学工作站的对应接口连接；参比电极通过导线与电化学工作站的对应接口连接，对电极通过导线与电化学工作站的对应接口连接。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，贮液管为中空透明有机玻璃管，其高度不超过10mm；贮液管的底部设置一取液孔，连接一量程为10～100μl的移液管。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，涂层单独层与带连接层的基体外径尺寸与贮液管内径相同，涂层单独层与带连接层的基体相对平行置于贮液管内壁两端，由硅橡胶对两者与贮液管间的缝隙封严，涂层单独层、带连接层的基体与贮液管组成中空封闭容器模拟多层涂层体系层间闭塞区，作为模拟装置使用。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，带连接层的基体在贮液管外部与带鳄鱼电夹导线一、带鳄鱼电夹导线二相连，其于模拟装置中的外表面用硅橡胶完全封严；涂层单独层在贮液管外部与带鳄鱼电夹导线三相连，仅带鳄鱼电夹导线三接口处由硅橡胶封严，保护接口并与外界环境电绝缘，涂层单独层于模拟装置中的大部分外表面与电解池内腐蚀介质直接接触。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，在非测试的腐蚀反应阶段，带鳄鱼电夹导线一与带鳄鱼电夹导线三始终相连，以此模拟层间电偶腐蚀。

所述的实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的实验装置，在测试过程中，带鳄鱼电夹导线二与带鳄鱼电夹导线四相连，带鳄鱼电夹导线一与带鳄鱼电夹导线三断开，工作电极为带连接层的基体；或者，带鳄鱼电夹导线三与带鳄鱼电夹导线四相连，带鳄鱼电夹导线一与带鳄鱼电夹导线二断开，工作电极为涂层单独层；或者，带鳄鱼电夹导线二与带鳄鱼电夹导线四相连，带鳄鱼电夹导线一与带鳄鱼电夹导线三相连，工作电极为整个涂层体系。

本实用新型的优点及有益效果是：

1、本实用新型装置制造与使用简单，通过模拟多层涂层体系层间的闭塞区，可对不同腐蚀阶段下闭塞区内的离子浓度进行原位模拟监测，实现对整个腐蚀过程中离子扩散(例如：cl^-、h⁺和金属离子等)、金属、涂层的电化学参数实时监检测。

2、本实用新型可将涂层体系各部分的电化学参数的变化与腐蚀过程中的离子扩散情况相联系，从而进一步为多层涂层体系的腐蚀机理理论研究提供线索与启示，实现多层涂层体系层间闭塞区离子浓度与体系各部分电化学参数的实时原位电化学监检测。

附图说明

图1是本实用新型一种可对多层涂层体系层间闭塞区离子浓度与体系各部分电化学参数实时原位监测的实验装置的结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：1.电解池，2.导线，3.移液管，4.橡皮胶塞，5.带连接层的基体，6.涂层单独层，7.贮液管，8.带鳄鱼电夹导线一，9.带鳄鱼电夹导线二，10.带鳄鱼电夹导线三，11.带鳄鱼电夹导线四，12.对电极，13.参比电极，14.3.5wt％nacl水溶液，15.电化学工作站。

具体实施方式

下面，结合附图对本实用新型做进一步说明。

如图1所示，本实用新型为一种实现多层涂层体系层间闭塞区离子浓度实时原位测试的实验装置，该装置包括：电解池1、导线2、移液管3、橡皮胶塞4、带连接层的基体5、涂层单独层6、贮液管7、带鳄鱼电夹导线一8、带鳄鱼电夹导线二9、带鳄鱼电夹导线三10、带鳄鱼电夹导线四11、对电极12、参比电极13、3.5wt％nacl水溶液14、电化学工作站15等，具体结构如下：

贮液管7水平设置，涂层单独层6与带连接层的基体5分别用硅橡胶密封嵌于贮液管7的顶部管口与底部管口之间贮液管7内侧壁，涂层单独层6与带连接层的基体5相对设置，带连接层的基体5在贮液管7外部与带鳄鱼电夹导线一8、带鳄鱼电夹导线二9相连，涂层单独层6在贮液管7外部与带鳄鱼电夹导线三10相连，带连接层的基体5或涂层单独层6可以作为工作电极，具体实现方式为：通过由不同导线的相互连接而改变所选工作电极；贮液管7的上方设置移液管3，贮液管7的侧面顶部设置一取液孔，所述取液孔用橡皮胶塞4塞住，根据需要将橡皮胶塞4取出，使贮液管7与移液管3相连通。其中，连接层(如：等离子喷涂镍铝涂层等)在基体中的位置和作用是：在本实用新型实验装置中，连接层位于带连接层的基体5的内表面，连接层与涂层单独层6的内表面相对应，增加涂层表层(即涂层单独层6)与基体的结合强度。涂层单独层6具体可为航空产业中的可磨耗封严涂层，其作用是：利用其可磨耗性来实现飞机叶片与压气机的封严，并保护飞机叶片。

工作电极、参比电极13与对电极12置于电解池1内组成三电极体系，并与电化学工作站15对应接口相连。工作电极通过带鳄鱼电夹导线一8、带鳄鱼电夹导线二9、带鳄鱼电夹导线三10改变与带鳄鱼电夹导线四11的连接方式，带鳄鱼电夹导线四11始终与电化学工作站15的对应接口连接；参比电极13通过导线2与电化学工作站15的对应接口连接，对电极12通过导线2与电化学工作站15的对应接口连接。

贮液管7为中空透明有机玻璃管，其高度不超过10mm；贮液管7的底部设置一取液孔，连接一量程为10～100μl的移液管3；移液管3每次取液量不超过贮液管7内溶液体积的5％，以确保取液量对闭塞区离子浓度的影响可忽略。

涂层单独层6与带连接层的基体5外径尺寸与贮液管7内径相同，涂层单独层6与带连接层的基体5相对平行置于贮液管7内壁两端，由硅橡胶对两者与贮液管7间的缝隙封严，涂层单独层6、带连接层的基体5与贮液管7组成中空封闭容器模拟多层涂层体系层间闭塞区，作为模拟装置使用；带连接层的基体5在贮液管7外部与带鳄鱼电夹导线一8、带鳄鱼电夹导线二9相连，其于模拟装置中的外表面用硅橡胶完全封严，避免与电解池1内腐蚀介质3.5wt％nacl水溶液14接触；涂层单独层6在贮液管7外部与带鳄鱼电夹导线三10相连，仅带鳄鱼电夹导线三10接口处由硅橡胶封严，保护接口并与外界环境电绝缘，涂层单独层6于模拟装置中的大部分外表面与电解池1内腐蚀介质3.5wt％nacl水溶液14直接接触。

在非测试的腐蚀反应阶段，带鳄鱼电夹导线一8与带鳄鱼电夹导线三10始终相连，以此模拟层间电偶腐蚀。在测试过程中，①带鳄鱼电夹导线二9与带鳄鱼电夹导线四11相连，带鳄鱼电夹导线一8与带鳄鱼电夹导线三9断开，工作电极为带连接层的基体5，腐蚀介质为闭塞区溶液(即贮液管7内溶液)；②带鳄鱼电夹导线三10与带鳄鱼电夹导线四11相连，带鳄鱼电夹导线一8与带鳄鱼电夹导线二9断开，工作电极为涂层单独层6，腐蚀介质为闭塞区溶液与电解池1内原溶液(即浓度为3.5wt％nacl水溶液14)；③带鳄鱼电夹导线二9与带鳄鱼电夹导线四11相连，带鳄鱼电夹导线一8与带鳄鱼电夹导线三10相连，工作电极为整个涂层体系(即涂层表层、连接层与基体三部分，本实用新型的多层涂层体系层间，即涂层表层与连接层之间)，腐蚀介质为闭塞区溶液与电解池1内原溶液(即浓度为3.5wt％nacl水溶液14)；贮液管7内部在反应起始阶段为空，后期贮液管7内溶液(即闭塞区溶液)为电解池1内腐蚀介质(3.5wt％nacl水溶液14)通过涂层单独层6孔隙扩散所得。

如图1所示，本实用新型实现离子浓度与电化学参数实时原位监测的具体模拟过程为：

首先，把实验装置连接好，将带鳄鱼电夹导线一8与带鳄鱼电夹导线三10相连，并在电解池1内倒入3.5wt％nacl水溶液14；随后，在腐蚀的不同阶段用移液管3的取液孔伸至贮液管7内，抽取少量闭塞区溶液(不超过贮液管7内溶液体积的5％)，因移液管3每次抽取溶液量少，对模拟闭塞区内离子浓度的影响可忽略不计；对抽取出的腐蚀介质稀释到指定的体积，并利用离子色谱仪对腐蚀介质中的h⁺、al³⁺、cl^-、so4^2-等离子浓度(取决于腐蚀介质与涂层单独层与基体的元素种类)进行后续检测，实现对闭塞区内离子浓度的实时原位监测；与此同时，通过前文所述的不同导线断开与连接的方式，分别测得对应离子浓度下涂层单独层6、带连接层的基体5与整个涂层体系的电化学参数，获得反应过程中的与离子扩散相关的电化学参数的改变；将涂层体系各部分的电化学参数的变化与腐蚀过程中的离子扩散情况相联系，从而进一步为多层涂层体系的腐蚀机理理论研究提供线索与启示。

结果表明，本实用新型提供一种多层涂层体系层间闭塞区离子浓度与体系各部分电化学参数实时原位监测的实验装置。该装置对多层涂层体系中表层与连接层或表层与基体之间发生的离子扩散，酸化与腐蚀性离子富集进行实验研究，并将涂层体系各部分电化学参数的变化与腐蚀过程中离子扩散情况相联系，阐释多层涂层体系在全寿命周期内腐蚀破坏的微观机制，这对当今所有的多层涂层体系的腐蚀与防护都具有重要意义。