基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置及方法与流程

本发明涉及一种样品腐蚀数据采集装置及方法，特别是涉及一种薄液膜下样品腐蚀数据采集装置及方法，应用于腐蚀电化学技术领域。

背景技术：

我国每年因腐蚀而损失的钢材超过1000万吨，其中50％的损失由大气腐蚀造成。大气腐蚀是一种在薄液膜条件下发生的腐蚀。由于在海洋大气环境中存在大量的海盐离子沉积、较高的湿度等，海洋大气环境中腐蚀速率约为工业大气中的两倍。另外薄液膜条件下的腐蚀本身具有鲜明的特点，其中薄液膜厚度的变化会改变金属材料的腐蚀过程，如影响薄液膜中溶解氧的扩散、腐蚀产物的积累以及溶解的金属离子的水解过程等，因此金属表面薄液膜的厚度对金属材料在海洋大气环境腐蚀失效具有重要的影响。

目前，针对金属表面薄液膜厚度的测量设定主要有两种方法：

1.通过镜头纸的厚度来确定薄液膜的厚度。镜头纸有良好的浸润性，单张厚度约为30～50nm，通过覆盖多张镜头纸在电极表面从而获得不同的薄液膜厚度。

2.采用前端装有尖端铂丝的千分尺、灵敏电流表、电池进行电极表面薄液膜测量。当探针尖端与液膜表面接触时，形成通路，电流表发生突变，记录螺旋测微器的读数h1；继续手动微调螺旋测微器，当铂针与电极表面接触时，电流又有一突变，记录螺旋测微器的读数h2，螺旋测微器的两次读数之差，即为薄液膜厚度。

上述两种薄液膜厚度测量设定方法均为人工手动操作，测量薄液膜的厚度存在较大的人为误差，特别是对于微米级薄液膜的测量存在3～5μm的精度误差。同时，两种方法后续均不能连续实现对其薄液膜厚度下腐蚀电化学信息的采集。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置及方法，在微区系统下精准实现薄液膜厚度的设定，并连续快速测量该薄液膜厚度下局部腐蚀电化学信息。该装置利用微区电化学xyz三维高精度自动移动平台，精度可达1μm，解决传统薄液膜设定测量过程因人为手工操作导致误差较大的问题。随后，通过调整探针到合适高度，可以快速实现对该薄液膜厚度下微区电化学信息的采集，从而更有利于研究模拟海洋大气环境条件中不同薄液膜厚度下金属材料的腐蚀失效机理。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置，主要包括探针、工作电极、电流检测装置和电源，组成接触式检测装置，探针、电流检测装置、电源和工作电极组成串联电路，探针和工作电极分别位于串联电路的两端，形成接触式的开关电路，主要由接触式检测装置、微区电化学工作台、微区样品池、xyz三维移动平台、人机终端组成腐蚀数据采集装置，在人机终端中包含微区电化学测试软件，在微区电化学工作台上装有可移动的xyz三维移动平台和可拆卸的微区样品池，将待测样品制成工作电极，将工作电极安装在微区样品池中，并将探针设置于工作电极的上方，探针固定安装在xyz三维移动平台上，使用者通过人机终端能控制xyz三维移动平台的升降移动，来调整探针相对于工作电极上表面的高度；当探针尖端与工作电极上表面上的液膜表面接触时，串联电路形成通路，电流检测装置检测到电流信号，记录xyz三维移动平台的高度位置数据，作为液膜上表面高度数据；当探针尖端与工作电极上表面接触时，电流检测装置检测到电流信号，记录xyz三维移动平台的高度位置数据，作为液膜基底界面位置数据；液膜上表面高度数据和液膜基底界面位置数据的之差，即为薄液膜厚度；并能对液膜中相对于工作电极上表面不同位置处的电化学信息进行采集。优选放大镜与人机终端设置于微区样品池的两侧。

作为本发明优选的技术方案，还设置样品水平安装装置，样品水平安装装置主要由水平仪和调节螺母组成，根据水平仪对工作电极上表面的检测，通过旋转水平调节螺母，从而使工作电极上表面保持水平。

作为本发明优选的技术方案，还设置微距放大装置，主要由放大镜和显示器组成，放大镜与显示器信号连接，将作为样品表面的工作电极上表面与探针尖端之间距离的放大图像在显示器中呈现；或者利用放大镜对工作电极上表面是否水平进行观测，辅助调节工作电极上表面至水平状态，利用放大镜使样品调节至水平，提高精度。优选显示器上还标注有刻度，可以提高样品与探针之间距离的观测精度。

作为本发明优选的技术方案，将工作电极安装在绝缘材料管中，将绝缘材料管作为工作电极固定套，将绝缘材料管安装在微区样品池中。优选将工作电极通过环氧树脂密封在外径为32mm的pvc管中，形成工作电极固定套和工作电极的套装结构。

作为本发明优选的技术方案，xyz三维移动平台可以前后左右上下运动，位移精度达到1μm，由人机终端控制，人机终端实时显示位置坐标信息，进而利用人机终端控制探针对薄液膜厚度进行设定与测量。

作为本发明优选的技术方案，采用移液枪向微区样品池中加入液体，在工作电极表面形成腐蚀液膜环境。

一种薄液膜下样品腐蚀数据采集方法，利用本发明基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置，对样品表面薄液膜厚度进行设定与腐蚀信息采集，包括以下步骤：

步骤1.实验前准备工作：

1.1将待测样品制成工作电极，然后将背面连接有导线的工作电极密封好后，放入微区工作电极固定套中，工作电极使用前预先抛光，并将工作电极上表面四周边缘磨成倒角；优选工作电极抛光采用不低于0.5μm的研磨膏进行抛光，优选工作电极四周磨倒角为45°，以减小待测液体在工作电极表面张力作用，使液膜分布更加均匀；

1.2调整放大镜与工作电极的距离，使工作电极上表面能够清楚地显示在显示器上，借助水平仪与放大器的共同作用，旋转三个水平调节螺母，从而使工作电极上表面保持水平；

1.3将探针固定在xyz三维移动平台上，电流检测装置连接探针与工作电极背面导线，使之形成回路；优选电流检测装置为万用表；

步骤2.薄液膜厚度设定：

2.1打开人机终端的微区电化学测试软件，通过人机终端控制xyz三维移动平台缓慢沿z轴下移动，当探针接触到工作电极表面时，电流检测装置导通出现读数，此时记下人机终端上的z的读数z1；xyz三维移动平台通过人机终端控制，优选调控位移精度为每步不高于1μm；

2.2使用人机终端设置好xyz三维移动平台抬起的距离，点击人机终端z上按钮，使其向上抬起设定好的距离；

2.3向微区样品池里缓慢注入模拟液膜的待测液体，通过放大镜所连接的显示器，并通过显示器上的刻度，观察待测液体与探针的距离，当待测液体与探针距离接近设定距离时，换用移液枪向微区样品池中加入液体；优选待测液体与探针距离为300～500μm时，换用移液枪向微区样品池中加入液体；

2.4当待测液体与探针表面接触时，电流检测装置再次导通显示出读数，此时xyz三维移动平台抬起的数值即为薄液膜厚度；

步骤3.腐蚀信息的采集：

3.1在工作电极表面制备出设定厚度的薄液膜后，将探针向上抬起至距离薄液膜表面设定距离；在工作电极表面制备出设定厚度的薄液膜后，优选将探针向上抬起至距离薄液膜表面90～120μm；最好优选100μm；

3.2将工作电极与微区电化学测试系统相连接，从而将电化学系统形成一个回路，对该薄液膜下样品不同位置处的电化学信息进行采集。

本发明采用微区电化学系统精度高，能够从微观层面上测量材料的局部腐蚀情况，对材料不同区域的电化学特性差异进行区分，进而可以从本质上揭示材料腐蚀的过程和机理，现已被广泛运用于腐蚀领域研究中。因此，本发明在微区电化学系统下能准确地制备出金属电极表面薄液膜厚度并对该薄液膜下金属表面局部腐蚀信息进行实时检测，对金属表面薄液膜腐蚀机理的探究具有实际意义。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明装置基于微区电化学系统自带xyz三维移动平台，可以精准地实现薄液膜厚度的设定，精度高达1μm，有效地避免了传统人工手动设定测量导致的误差；

2.本发明装置自动化程度高，操作方便，设备反应灵敏，可以实现100μm以下极薄液膜的准确设定；

3.本发明利用微区电化学系统精度高，能够从微观层面上快速实时监测薄液膜下材料的局部电化学腐蚀信息，有利于从本质上揭示材料腐蚀的过程和机理；

4.本发明装置在实现对薄液膜厚度制备后，可以直接用微区电化学系统采集此液膜厚度下金属材料局部腐蚀信息，整个过程快捷、简便，可以有效地缩短时间，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明实施例一薄液膜下样品腐蚀数据采集装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一的微区平台内工作电极的设置位置示意图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一

本实施例为基于微区电化学系统的100μm薄液膜下304不锈钢腐蚀数据采集装置及方法。在本实施例中，参见图1和图2，一种基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置，主要包括探针9、工作电极5、电流检测装置11和电源14，组成接触式检测装置，探针9、电流检测装置11、电源14和工作电极5组成串联电路，探针9和工作电极5分别位于串联电路的两端，形成接触式的开关电路，主要由接触式检测装置、微区电化学工作台1、微区样品池3、xyz三维移动平台8、人机终端7组成腐蚀数据采集装置，在人机终端7中包含微区电化学测试软件，在微区电化学工作台1上装有可移动的xyz三维移动平台8和可拆卸的微区样品池3，将待测样品制成工作电极5，将工作电极5安装在微区样品池3中，并将探针9设置于工作电极5的上方，探针9固定安装在xyz三维移动平台8上，使用者通过人机终端7能控制xyz三维移动平台8的升降移动，来调整探针9相对于工作电极5上表面的高度；当探针9尖端与工作电极5上表面上的液膜表面接触时，串联电路形成通路，电流检测装置11检测到电流信号，记录xyz三维移动平台8的高度位置数据，作为液膜上表面高度数据；当探针9尖端与工作电极5上表面接触时，电流检测装置11检测到电流信号，记录xyz三维移动平台8的高度位置数据，作为液膜基底界面位置数据；液膜上表面高度数据和液膜基底界面位置数据的之差，即为薄液膜厚度；并能对液膜中相对于工作电极5上表面不同位置处的电化学信息进行采集。

在本实施例中，参见图1和图2，还设置样品水平安装装置，样品水平安装装置主要由水平仪6和调节螺母2组成，根据水平仪6对工作电极5上表面的检测，通过旋转水平调节螺母2，从而使工作电极5上表面保持水平。

在本实施例中，参见图1和图2，还设置微距放大装置，主要由放大镜10和显示器12组成，放大镜10与显示器12信号连接，将作为样品表面的工作电极5上表面与探针9尖端之间距离的放大图像在显示器12中呈现；或者利用放大镜10对工作电极5上表面是否水平进行观测，辅助调节工作电极5上表面至水平状态。

在本实施例中，参见图1和图2，将工作电极5安装在绝缘材料管4中，将绝缘材料管4作为工作电极固定套，将绝缘材料管4安装在微区样品池3中。

在本实施例中，参见图1和图2，采用移液枪13向微区样品池3中加入液体，在工作电极5表面形成腐蚀液膜环境。

本实施例是基于微区电化学系统的100μm薄液膜下304不锈钢腐蚀数据采集装置，包括微区电化学工作台1、微区样品池3、xyz三维移动平台8、探针9、工作电极5、人机终端7、电流检测装置11组成，微区电化学工作台1上装有xyz三维移动平台8与可拆卸的微区样品池3，其两端分别放置放大镜10与人机终端7；探针9与xyz三维移动平台8相连；电流检测装置11采用万用表连接探针9与工作电极5，工作电极5位于探针9的正下方；人机终端7中含有微区电化学测试软件；装置中还包括放大镜10，放大镜10使样品调节至水平，提高精度；放大镜10为电子放大镜，电子放大镜与显示器12连接，将样品表面与探针9之间距离的放大图像在显示器12中呈现；显示器12上还标注有刻度，可以提高样品与探针9之间距离的观测精度。

在本实施例中，参见图1和图2，一种薄液膜下样品腐蚀数据采集方法，利用本实施例基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置，对样品表面薄液膜厚度进行设定与腐蚀信息采集，包括以下步骤：

步骤1.实验前准备工作：

1.1将待测304不锈钢样品制成尺寸为20mm×20mm×5mm的工作电极5，使用环氧树脂镶嵌在外径为32mm的pvc管中，密封好，其中304不锈钢背面使用导电胶与铜导线连接，依次采用800#、1200#、1500#、2000#、3000#砂纸打磨工作电极表面，四周磨45°角，以减小待测液体在工作电极表面张力作用，使液膜分布更加均匀，然后依次采用1.5μm与0.5μm的金刚石研磨膏抛光，再用蒸馏水与无水乙醇分别超声清洗电极3min，冷风吹干后放入微区工作电极固定套中；

1.2调整放大镜10与工作电极5的距离，使工作电极5上表面能够清楚地显示在显示器12上，借助水平仪6与放大器10的共同作用，旋转三个水平调节螺母2，从而使工作电极5上表面保持水平；

1.3将探针9固定在xyz三维移动平台8上，采用电流检测装置采用万用表两端连接工作电极5与探针9，进而形成回路，其中万用表旋转至电流档；

步骤2.薄液膜厚度设定：

2.1打开人机终端7的微区电化学测试软件——阿美特克versascan软件，通过人机终端7控制xyz三维移动平台8缓慢向z下移动，步长为每步1μm，借助放大镜显示器12观察探针9距工作电极5表面距离，当探针9接触电极表面时，万用表上出现读数并发出声响，记下人机终端7z读数z1＝31.398mm；

2.2使用人机终端7设置好xyz三维移动平台8抬起的距离为100μm，点击人机终端7z上按钮，使其向上抬起100μm距离；

2.3向微区样品池3里缓慢注入3.5wt.％nacl电解液至电极表面，通过放大镜10所连接的显示器12，通过显示器12上的刻度，观察待测液体与探针9的距离，当3.5wt.％nacl电解液与探针9距离至400μm时，换用移液枪13向微区样品池3中加入液体；

2.4当探针9与待测液体表面接触时，万用表又会显示出读数并发出声响，此时xyz三维移动平台8抬起的数值即为薄液膜厚度；

步骤3.腐蚀信息的采集：

3.1在工作电极5表面制备出100μm的薄液膜后，将探针9向上抬起至距离薄液膜表面100μm距离；

3.2将工作电极5与微区电化学测试系统相连接，从而将电化学系统形成一个回路，对该薄液膜下样品不同位置处的电化学信息进行采集。

本实施例是一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下304不锈钢腐蚀数据采集方法，本发明能在微区系统下精准实现薄液膜厚度的设定，并连续快速测量该薄液膜厚度下局部腐蚀电化学信息；本发明装置自动化程度高，实验方法简单，有效地将微区系统下薄液膜厚度的设定与腐蚀信息的监测相结合，缩短测试时间，提高测试效率。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集装置及方法；基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集装置，包括微区电化学工作台1、微区样品池3、xyz三维移动平台8、探针9、工作电极5、人机终端7、电流检测装置11组成，微区电化学工作台1上装有xyz三维移动平台8与可拆卸的微区样品池3，其两端分别放置放大镜10与人机终端7；探针9与xyz三维移动平台8相连；电流检测装置11—万用表连接探针9与工作电极5，工作电极5位于探针9的正下方；人机终端7中含有微区电化学测试软件；装置中还包括放大镜10，放大镜10使样品调节至水平，提高精度；放大镜10为电子放大镜，电子放大镜与显示器12连接，将样品表面与探针9之间距离的放大图像在显示器12中呈现；显示器12上还标注有刻度，可以提高样品与探针9之间距离的观测精度。

本发明实施例还提供一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1.实验前准备工作：

1.1将待测316l不锈钢样品制成尺寸为20mm×20mm×5mm的工作电极5，使用环氧树脂镶嵌在外径为32mm的pvc管中，密封好，其中316l不锈钢背面使用导电胶与铜导线连接，依次采用800#、1200#、1500#、2000#、3000#砂纸打磨工作电极表面，四周磨45°角，后依次采用1.5μm与0.5μm的金刚石研磨膏抛光，再用蒸馏水与无水乙醇分别超声清洗电极3min，冷风吹干后放入微区工作电极固定套中；

1.2本步骤与实施例一相同；

1.3本步骤与实施例一相同；

步骤2.薄液膜厚度设定：

2.1打开人机终端7的微区电化学测试软件——阿美特克versascan软件，通过人机终端7控制xyz三维移动平台8缓慢向z下移动，步长为每步1μm，借助放大镜显示器12观察探针9距工作电极5表面距离，当探针9接触电极表面时，万用表上出现读数并发出声响，记下人机终端7z读数z1＝33.295mm；

2.2本步骤与实施例一相同；

2.3本步骤与实施例一相同；

2.4本步骤与实施例一相同；

步骤3.腐蚀信息的采集：

3.1本步骤与实施例一相同；

3.2本步骤与实施例一相同。

本实施例是一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集方法，本发明能在微区系统下精准实现薄液膜厚度的设定，并连续快速测量该薄液膜厚度下局部腐蚀电化学信息；本发明装置自动化程度高，实验方法简单，有效地将微区系统下薄液膜厚度的设定与腐蚀信息的监测相结合，缩短测试时间，提高测试效率。

实施例三

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种基于微区电化学系统的200μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集装置及方法；

基于微区电化学系统的200μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集装置，包括微区电化学工作台1、微区样品池3、xyz三维移动平台8、探针9、工作电极5、人机终端7、电流检测装置11组成，微区电化学工作台1上装有xyz三维移动平台8与可拆卸的微区样品池3，其两端分别放置放大镜10与人机终端7；探针9与xyz三维移动平台8相连；电流检测装置11—万用表连接探针9与工作电极5，工作电极5位于探针9的正下方；人机终端7中含有微区电化学测试软件；装置中还包括放大镜10，放大镜10使样品调节至水平，提高精度；放大镜10为电子放大镜，电子放大镜与显示器12连接，将样品表面与探针9之间距离的放大图像在显示器12中呈现；显示器12上还标注有刻度，可以提高样品与探针9之间距离的观测精度。

本发明实施例还提供一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集方法，包括以下步骤：

步骤1.实验前准备工作：

1.1将待测316l不锈钢样品制成尺寸为20mm×20mm×5mm的工作电极5，使用环氧树脂镶嵌在外径为32mm的pvc管中，密封好，其中316l不锈钢背面使用导电胶与铜导线连接，依次采用800#、1200#、1500#、2000#、3000#砂纸打磨工作电极表面，四周磨45°角，后依次采用1.5μm与0.5μm的金刚石研磨膏抛光，再用蒸馏水与无水乙醇分别超声清洗电极3min，冷风吹干后放入微区工作电极固定套中；

1.2本步骤与实施例一相同；

1.3本步骤与实施例一相同；

步骤2.薄液膜厚度设定：

2.1打开人机终端7的微区电化学测试软件——阿美特克versascan软件，通过人机终端7控制xyz三维移动平台8缓慢向z下移动，步长为每步1μm，借助放大镜显示器12观察探针9距工作电极5表面距离，当探针9接触电极表面时，万用表上出现读数并发出声响，记下人机终端7z读数z1＝30.647mm；

2.2使用人机终端7设置好xyz三维移动平台8抬起的距离为200μm，点击人机终端7z上按钮，使其向上抬起200μm距离；

2.3本步骤与实施例一相同；

2.4本步骤与实施例一相同；

步骤3.腐蚀信息的采集：

3.1在工作电极5表面制备出200μm的薄液膜后，将探针9向上抬起至距离薄液膜表面100μm距离；

3.2本步骤与实施例一相同。

本实施例是一种基于微区电化学系统的100μm薄液膜下316l不锈钢腐蚀数据采集方法，本发明能在微区系统下精准实现薄液膜厚度的设定，并连续快速测量该薄液膜厚度下局部腐蚀电化学信息；本发明装置自动化程度高，实验方法简单，有效地将微区系统下薄液膜厚度的设定与腐蚀信息的监测相结合，缩短测试时间，提高测试效率。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于微区电化学系统的薄液膜下样品腐蚀数据采集装置及方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。