无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置与方法与流程

本发明涉及金属腐蚀行为监测与表征领域，特别是涉及一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置与方法。

背景技术：

无铅焊料合金在经历重熔-再凝固的焊接过程后，由于共晶相成核的随机性以及相尺寸的不均一性，使得无铅焊料合金中共晶相与β-sn基体之间的电偶腐蚀效应不同，从而造成不同焊点在实际服役过程中表现出较大差异的大气环境腐蚀行为。传统的评价材料大气腐蚀演化行为时，大多采用平行样品法，即对多个平行样品进行不同腐蚀时间间隔后取样表征，进而形成大气腐蚀行为随腐蚀时间的演化规律。然而由于经历重熔-再凝固后的无铅焊料平行样品间共晶相数量与尺寸差异较大，使得平行样品法在表征无铅焊料大气腐蚀演化行为时并不可靠。因此，开发适合表征无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置与方法具有重要意义。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于提供一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置与方法，适用于大气环境中无铅焊料合金的腐蚀演化行为监测，且可以表征腐蚀形貌与产物相组成演化，可靠性高；同时，本发明也适用于其他由于相组成或组织分布不均匀而存在明显电偶腐蚀特征的金属材料腐蚀演化行为的监测与表征。

本发明的技术方案是：

一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，包括舱室、控温部件、控湿部件、监测探头、电化学阻抗谱测量仪、拉曼光谱仪、处理器，具体结构如下：

舱室具有监测腔及监测窗口，舱室内腔为监测腔,监测窗口位于舱室顶部，监测窗口连通于监测腔；监测窗口的上方设置拉曼光谱仪，监测探头设置于监测窗口正下方、监测腔底部，拉曼光谱仪的测量探头与监测探头相对应，拉曼光谱仪连接于处理器；控温部件固定于舱室，通过舱室预留豁口连通并曝露于监测腔内，控湿部件位于监测腔内；舱室一侧预留有豁口供监测探头的导线通过，监测探头通过导线电连接于电化学阻抗谱测量仪，电化学阻抗谱测量仪连接于处理器。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，控温部件用于调控监测腔内环境温度与无铅焊料合金实际服役大气环境温度一致；所述控湿部件用于调控监测腔内环境湿度与无铅焊料合金实际服役大气环境湿度一致，通过配备所述控湿部件内甘油/水的相对比例来调控所述监测腔内湿度，以模拟大气环境的湿度变化；所述监测腔用于模拟无铅焊料合金实际服役大气环境；所述监测窗口供所述拉曼光谱仪工作时使用，监测窗口在所述拉曼光谱仪非工作状态时由玻璃片遮盖。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，监测探头曝露于所述监测腔内，且与所述监测窗口及所述拉曼光谱仪测量探头在同一垂线上。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，监测探头为柱状结构，其上具有采用无铅焊料合金制成的第一监测电极以及第二监测电极，所述第一监测电极与所述第二监测电极之间和外侧由所述绝缘件填充固定，所述监测探头的上端面为监测面，所述第一监测电极与所述第二监测电极的上表面露出并与所述监测面平齐，所述第一监测电极和所述第二监测电极分别引出一根探头导线与所述电化学阻抗谱测量仪相连；所述电化学阻抗谱测量仪用于测量腐蚀模拟液覆盖下所述监测探头的电化学阻抗谱，并将测量得到的电化学阻抗谱传输至所述处理器。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，第一监测电极与所述第二监测电极均具有两个以上梳齿，使得所述第一监测电极与所述第二监测电极均呈梳状，所述第一监测电极的梳齿与所述第二监测电极的梳齿相互交错，相邻的所述第一监测电极梳齿与所述第二监测电极梳齿之间具有间隙，以避免所述第一监测电极与所述第二监测电极的直接接触，该间隙大小在0.1～0.5mm之间。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，拉曼光谱仪的测量探头位于所述舱室顶端预留所述监测窗口的垂直正上方，用于表征所述监测探头在腐蚀过程中的表面腐蚀形貌演化和拉曼光谱特征演化，并将测量得到的形貌信息和拉曼光谱信息传输至所述处理器。

一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法，包括如下步骤：

(1)通过所述控温部件、所述控湿部件分别调节所述监测腔内的温度、湿度至与实际环境中的温度、湿度一致；所述监测腔内的环境湿度通过甘油/水的相对比例调控至与实际大气环境一致；

(2)制备监测探头，采用无铅焊料合金制成第一监测电极以及第二监测电极，将所述监测探头第一监测电极、第二监测电极的一端包括监测面的表面打磨直至露出两个监测电极表面，用酒精清洗除油后，干燥器内放置24后用于实验；

(3)将所述监测探头置于监测腔内，使得所述监测探头监测面的中心与监测窗口的中心和拉曼光谱仪的测量探头在同一垂线上；

(4)将腐蚀模拟液涂覆在所述监测探头的监测面上，在所述监测探头上涂覆所述腐蚀模拟液后，所述监测探头处于润湿阶段，直至所述腐蚀模拟液挥发完后，所述监测探头进入干燥阶段，润湿阶段和干燥阶段的时间各为12h；在所述监测探头上涂覆去离子水并直至所述去离子水完全挥发，在所述监测探头上涂覆去离子水到去离子水挥发的时间为12h，以此循环；

(5)通过所述电化学阻抗谱测量仪测量所述腐蚀模拟液覆盖下所述监测探头的电化学阻抗谱演化，测量全频率由高频至低频范围为100khz至0.01hz，并将测量得到的电化学阻抗谱传输至所述处理器，所述处理器计算出测量得到的0.01hz时的阻抗值zl和100khz时的阻抗值zh，并计算出极化电阻值rp＝zl-zh，进一步计算出无铅焊料合金的腐蚀速率v＝1/rp；测量一次全频率阻抗谱所需时间为10min，一次测量结束后，电化学阻抗谱测量仪自动进入下一次测量，如此循环测量。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法，根据所述处理器绘制的多次涂覆后腐蚀速率1/rp曲线随涂覆次数演化的二维关系图，预测实际服役环境中无铅焊料合金的腐蚀速率演化趋势。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法，拉曼光谱仪根据需要在所述监测探头腐蚀模拟液覆盖下或者完全挥发后，拍摄所述监测探头表面腐蚀形貌的演化，或者检测感兴趣区域的腐蚀产物激光拉曼光谱，并将测量到的谱图传输至所述处理器。

所述的无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法，根据所述处理器处理得到的模拟环境中无铅焊料合金的腐蚀速率1/rp曲线、腐蚀产物形貌演化图、成分演化图，预测实际服役环境中无铅焊料合金的腐蚀速率演化、形貌演化、产物成分演化规律。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，适用于不同大气环境中无铅焊料合金腐蚀行为演化监测，如：海洋大气环境、酸雨大气环境、海岸/酸雨混合大气环境等环境中薄液膜覆盖下无铅焊料合金腐蚀演化行为的监测、表征与耐蚀性评价等。

2、本发明无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，可以根据不同实际服役大气环境中污染物种类及浓度确定不同模拟液组成与浓度，且可以根据无铅焊料合金腐蚀情况制定合理的试验周期与监测频率。

3、本发明无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，具有结构简单，实验方法可靠，步骤合理，可操作性强，方便实用的优点。

4、本发明无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置，适用于不同服役环境中因大气温湿度变化引发凝结薄液膜而导致的无铅焊料合金腐蚀监测与产物相组成及形貌演化表征，具有可操作性强、可靠性高的特点。

5、本发明也适用于其他由于相组成或组织分布不均匀而存在明显电偶腐蚀特征的金属材料腐蚀演化行为的监测与表征。

附图说明

图1为本发明一实施例无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置示意图；

图2为图1中无铅焊料合金制监测探头的结构示意图。

附图标记说明：

10、无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置；100、舱室；110、监测腔；120、监测窗口；200、控温部件；300、控湿部件；400、玻璃片；500、监测探头；510、绝缘件；521、第一监测电极；522、第二监测电极；530、监测面；600、探头导线；700、电化学阻抗谱测量仪；800、拉曼光谱仪；900、处理器。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

参见图1所示，本实施例涉及了一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置10。该无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置10包括舱室100、控温部件200、控湿部件300、玻璃片400、监测探头500、探头导线600、电化学阻抗谱测量仪700、拉曼光谱仪800、处理器900。

舱室100具有监测腔110及监测窗口120。舱室100由有机玻璃板制作而成，有机玻璃板与有机玻璃板之间采用三氯甲烷溶合粘结；舱室100侧面预留的响应豁口用于供探头导线600通过；舱室100顶部预留监测窗口120，监测窗口120的上方设置拉曼光谱仪800，监测窗口120供拉曼光谱仪800工作时使用，监测窗口120不工作时由玻璃片400遮盖；舱室100内腔为监测腔110,监测腔110用于大气腐蚀环境的模拟。

参见图1所示，控温部件200固定于舱室100顶部一侧并通过舱室预留豁口连通于监测腔110内，用于调节腔内温度与实际大气环境的温度一致；控湿部件300位于监测腔110内，用于调节腔内湿度与实际大气环境的温度一致；监测腔110环境的湿度通过一定比例的甘油/水调节。

参见图1所示，所述监测探头500设置于监测窗口120正下方、监测腔110底部，监测探头500曝露于监测腔110的模拟大气环境中，并由探头导线600通过舱室100预留豁口连接于所述电化学阻抗谱测量仪700，所述电化学阻抗谱测量仪700用于测量监测探头500在腐蚀模拟液覆盖下的电化学阻抗谱，并将测量得到的电化学阻抗谱信息传输至处理器900。

参见图1所示，所述拉曼光谱仪800的测量探头位于舱室100顶端预留监测窗口120的垂直正上方，用于测量位于监测窗口120垂直正下方监测腔110内部的监测探头500模拟腐蚀过程中表面腐蚀产物形貌与拉曼光谱演化的表征，并将测量得到的形貌信息和拉曼光谱信息传输至所述处理器900。

参见图2所示，所述监测探头500为柱状结构，其上具有采用无铅焊料合金制成的第一监测电极521以及第二监测电极522，所述第一监测电极521与所述第二监测电极522之间和外侧通过填充绝缘件510固定，绝缘件510可以为环氧树脂绝缘填充材料，所述监测探头500的上端面为监测面530，所述第一监测电极521与所述第二监测电极522的上表面露出并与所述监测面530平齐，所述第一监测电极521和所述第二监测电极522各引出一根探头导线600与电化学阻抗谱测量仪700相连。所述第一监测电极521与所述第二监测电极522均具有两个以上梳齿使得所述第一监测电极521与所述第二监测电极522均呈梳状，所述第一监测电极521的梳齿与所述第二监测电极522的梳齿相互交错，相邻的所述第一监测电极521与所述第二监测电极522之间具有间隙，以避免第一监测电极521与第二监测电极522的直接接触，该间隙大小在0.1～0.5mm之间为宜。

本实施例涉及无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测装置在用于焊料合金大气腐蚀行为演化时，涉及了一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法。

一种无铅焊料合金大气腐蚀行为演化模拟监测方法，包括如下步骤：

参见图1所示，通过所述控温部件200、所述控湿部件300分别调节所述监测腔110内的环境温度、湿度至与实际大气环境的温度、湿度一致；监测腔110内环境的湿度通过一定比例的甘油/水调至与实际大气环境一致。

制备监测探头500，其中所述监测探头500具有采用无铅焊料合金制成的第一监测电极521以及第二监测电极522。参见图2所示，将所述监测探头500的所述第一监测电极521、所述第二监测电极522位于监测面530的一端(包括监测面530)的表面轻微打磨直至露出两个监测电极表面，用酒精清洗除油后，干燥器内放置24后即可用于实验。

参见图1所示，将监测探头500置于监测腔110内，使得监测探头监测面530的中心与监测窗口120的中心和拉曼光谱仪800的测量探头在同一垂线上。

通过nacl与nahso3配置腐蚀模拟液，所述腐蚀模拟液中nacl与nahso3的总含量应与实际大气腐蚀环境中相应污染物的沉降量保持一致。

将所述腐蚀模拟液涂覆在所述监测探头500的监测面530上，所述腐蚀模拟液在所述监测面530上的涂覆量为25μl/cm²。

所述电化学阻抗谱测量仪700测量腐蚀模拟液覆盖下所述监测探头500的电化学阻抗谱，测量全频率由高频至低频范围为100khz至0.01hz，并将测量到的电化学阻抗谱传输至所述处理器900，所述处理器900计算出测量得到的0.01hz时的阻抗值zl和100khz时的阻抗值zh，并算出极化电阻值rp＝zl-zh，进一步算出无铅焊料合金的腐蚀速率v＝1/rp。测量一次全频率阻抗谱所需时间为10min，一次测量结束后，电化学阻抗谱测量仪700自动进入下一次测量，如此循环测量，当电化学阻抗谱测量仪700测量到阻抗值超过1×10⁸ω·cm²时，表明所述腐蚀模拟液已挥发完。

在所述监测探头500上涂覆所述腐蚀模拟液后，所述监测探头500处于润湿阶段，直至所述腐蚀模拟液挥发完后，所述监测探头500进入干燥阶段，润湿阶段和干燥阶段的时间各为12h。在所述监测探头500上涂覆去离子水并直至所述去离子水完全挥发，在所述监测探头500上涂覆去离子水到去离子水挥发的时间为12h，去离子水涂覆的次数可根据要求进行调整。

根据所述处理器900绘制的多次涂覆后腐蚀速率1/rp曲线随涂覆次数演化的二维关系图，预测实际服役环境中无铅焊料合金的腐蚀速率变化趋势。

所述拉曼光谱仪800可根据需要在监测探头腐蚀模拟液覆盖下或者完全挥发后，拍摄监测探头表面腐蚀形貌的演化，也可以检测感兴趣区域的腐蚀产物激光拉曼光谱，并将测量到的谱图传输至所述处理器900。

根据所述处理器900处理得到的模拟环境中无铅焊料合金的腐蚀速率1/rp曲线、腐蚀产物形貌演化图、成分演化图，预测实际服役环境中无铅焊料合金的腐蚀速率演化、形貌演化、产物成分演化规律。

结果表明，本发明将控温部件、控湿部件、监测探头、电化学阻抗谱测量仪、处理器、拉曼光谱仪等组合并协同作用，其中：控温部件用于调节监测腔内温度；控湿部件用于调节监测腔内湿度。采用无铅焊料合金制成的监测探头曝露于监测腔内，并连接于电化学阻抗谱测量仪，电化学阻抗谱测量仪用于监测探头阻抗谱演化的测量，并连接于处理器；拉曼光谱仪用于监测探头腐蚀形貌与产物相组成演化的表征，也连接于处理器。从而，适用于不同环境中无铅焊料大气腐蚀行为演化的模拟监测与表征，可靠性高。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述。然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。