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防水防腐之腐蚀机理

2018年10月08日 点击:

腐蚀机理是指自然界的各种材料(包括金属和非金属)在周围介质(水,空气,酸,碱,盐,溶剂等)作用下产生损耗与破坏的内在与外在原因。

  • 中文名

  • 腐蚀机理

  • 外文名

  • Corrosion mechanism

  • 学    科

  • 材料学

  • 应    用

  • 材料腐蚀








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基本信息

  老房木板上的生锈的铁钉、铁护栏的生锈、锡罐头盖的生锈、钢筋的锈蚀、轮船设备的锈蚀、腐蚀的自来水管道流出黄色的水、输油输气管道、开水管道、大雁塔广场上铜雕塑上的铜绿、秦始皇的铜车马、兵马俑、银首饰的变色、塑料的硬脆、橡胶轮胎的老化、古籍纸质的发黄变脆、丝绸的化丝、朽木、涂料的褪色、脱落、牙齿的坏烂、石头的风化等等都是一种腐蚀现象。其中腐蚀包括非金属腐蚀与金属腐蚀。

金属材料的腐蚀,是指金属材料和周围介质接触时发生化学或电化学作用而引起的一种破坏现象。对于金属而言,在自然界大多是以金属化合物的形态存在。从热力学的观点来看,除了少数贵金属(如金、铂等)外,各种金属都有转变成离子的趋势。因此,金属元素比它们的化合物具有更高的自由能,必然有自发地转回到热力学上更稳定的自然形态——氧化物的趋势,所以说金属腐蚀是自发的普遍存在的一种现象,是不可避免的。

  金属腐蚀给生产生活带来很多不便,造成了巨大的经济损失。全世界每年因为金属腐蚀造成的直接经济损失约达7000亿美元,是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的6倍。我国因金属腐蚀造成的损失占国民生产总值(GNP)的4%左右,钢铁因腐蚀而报废的数量约占钢铁当年产量的25%-30%。这些数据只是与腐蚀有关的直接损失数据,间接损失数据有时是难以统计的,甚至是一个惊人的数字。

目前腐蚀问题成为阻碍高新技术发展和国民经济持续发展的重要制约因素,这样研究金属的腐蚀与防护便显得非常的重要,本报告主要综合讲述了金属的电化学腐蚀的基本原理和分类,以及讨论了有关现实生产生活中具体的防护措施,以更好的指导现实实践。

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定义

  材料在和周围介质接触过程中,发生物理、化学或电化学反应等而使材料遭受破坏或性能恶化的过程称作腐蚀。广义的腐蚀指材料与环境间发生的化学或电化学相互作用而导致材料功能受到损伤的现象。狭义的腐蚀是指金属与环境间的物理-化学相互作用,使金属性能发生变化,导致金属,环境及其构成系功能受到损伤的现象。

  出于物理原因造成的破坏不称为腐蚀,而称为磨损或磨耗等等。但实际情况下腐蚀和物理损伤是伴随发生的,物理损伤更是加速了腐蚀的进度。腐蚀现象非常普遍,但却非常复杂。

由此而诞生的腐蚀科学是一门高度交叉性的综合学科,涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科,它也将随着这些学科的发展而不断发展前进。近年来,腐蚀科学的基础理论研究和应用研究都取得了长足的发展,创造出了巨大的经济效益和社会效益。

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特性

①普遍性和广泛性:腐蚀无处不在。天上地下、陆上水下;金属、非金属。航天器的生物腐蚀、大气腐蚀;轮船、航空母舰的海水腐蚀。

②持续性:腐蚀无时不在。腐蚀的发生是一个持续、累积过程。有可能在无任何征兆条件下突然发生破坏。不是不爆,时候未到!腐蚀在我们身边每时每刻悄悄地发生着,它吞噬着人们的劳动成果,改变了历史的原貌。《悄悄进行的破坏——金属腐蚀》曹楚南院士的科普著作。

③非线性:腐蚀的速度并非总是线性过程,会随外界条件的变化而变化。 ④自发性:腐蚀的发生完全是一个自发过程,就像水向低处流一样。我们控制腐蚀就像要阻止水向低处流。从化学的角度来说就是从不稳定态向稳定态转化的过程。金属的腐蚀是金属提纯的逆向过程。危害性和严重性:很大。 ⑤危害性:腐蚀会影响设备的使用寿命,严重的会危及设备安全及人身安全,因而不可等闲视之。腐蚀造成的直接损失,如人员的伤亡、设备的破坏、装置的损毁等造成直接的经济损失,大家是有目共睹的。但更为重要的是,腐蚀所造成的相关间接损失也非常惊人。如一个电厂由于腐蚀而导致突然停电,将导致大批的工厂的巨大损失。桥梁、压力容器、锅炉、贮有剧毒、放射性物质的金属容器、贮存核废料的金属容器等。腐蚀→停车停产→该厂经济损失→连锁反应→其他相关厂经济损失→国内的经济损失→国际的经济损失→总的经济损失。

⑥复杂性:腐蚀过程是一个非常复杂的物理、化学过程,涉及化学、电化学、物理学、材料学、表面科学、工程力学、冶金学、生物学等多个学科。现在尽管取得了长足的进步,但还有相当一部分仍旧不明了,还只能靠经验、事后总结。

⑦腐蚀的可利用性:集成电路板工业、玻璃雕刻、干电池放电等。(任何事物都有两面性)

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分类

  腐蚀按材料从大的方面分为金属腐蚀和非金属腐蚀。

由于金属材料具有较高的机械强度、可塑性、良好的导热性、导电性以及加工成型性等优点,所以在工程材料中得到广泛应用。

按机理分:

① 化学腐蚀特征:发生化学反应,无腐蚀电流。如金属和周围介质如:酸、碱、盐、O2、SO2、CO2、水蒸气等直接接触而引起的腐蚀、金属在高温下形成的氧化皮等。

② 电化学腐蚀特征:发生电化学反应,有腐蚀电流。如干电池对外供电。实际腐蚀过程绝大多数为电化学腐蚀。

按破坏形式分:

① 全面腐蚀(均匀腐蚀):腐蚀在金属表面全面展开。如纯金属在强电解液里的腐蚀。一般,全面腐蚀,开始时腐蚀速率较大。一般,全面腐蚀的危害性较局部腐蚀小,而且可以事先预测。如卫星接收天线锅、暴露在大气中的金属管线等。

② 局部腐蚀:腐蚀只集中在金属表面的局部区域,其它部分腐蚀很轻微或几乎没有。局部腐蚀的类型很多,如电偶腐蚀、孔蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、应力腐蚀、磨蚀、晶间腐蚀、氢损伤等。局部腐蚀的危害较大,应引起足够的重视。

按腐蚀环境分:

①大气腐蚀:金属在大气及任何潮湿性气体中发生的腐蚀。最为普遍。

②电解质溶液腐蚀:酸、碱、盐。污水处理系统中的腐蚀。

③海水腐蚀:本质还是电解质溶液腐蚀,但是一大类特定类型。海洋工程、海上石油钻采平台、设备、舰船、潜艇、航空母舰、海水换热器等都会遭到海水腐蚀。

④非电解质溶液溶液腐蚀:金属在不导电的溶液中的腐蚀,如金属在有机液体如酒精、石油中的腐蚀;铝在CCl4、CHCl3、C2H5OH中的腐蚀;Mg、Ti在CH3OH中的腐蚀。

⑤土壤腐蚀:供水、供气、供油、供热管网、设备的地埋部分。 ⑥生物腐蚀:硫酸盐还原菌SRB、腐生菌等对油气管道的生物腐蚀。

⑦其它环境下的腐蚀:如高温(>100℃)、高压、熔融电解质溶液等。高温气体腐蚀、发动机、火箭高温废气腐蚀。

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危害

  金属腐蚀的危害:金属腐蚀的危害首先在于腐蚀造成了巨大的经济损失。这种损失可分为直接损失和间接损失。直接损失包括材料的损耗、设备的失效、能源的消耗以及为防止腐蚀所采取的涂层保护、电化学保护、选用耐蚀材料等的费用。由于腐蚀,使大量有用材料变为废料,估计全世界每年因腐蚀报废的钢铁设备约为其年产量的30% ,造成地球上的有限资源日益枯竭. 全世界每90s就有1t钢被腐蚀成铁锈,而炼制1t钢所需的能源可供一个家庭使用3个月,因此,腐蚀造成了对自然资源的极大浪费。因腐蚀而造成的间接损失往往比直接损失更大,甚至难以估计。这些损失包括因腐蚀引起的停工停产,产品质量下降,大量有用有毒物质的泄漏、爆炸,以及大规模的环境污染等。一些腐蚀破坏事故还造成了人员伤亡,直接威胁着人民群众的生命安全。

防护

  金属防腐蚀的方法很多,主要有改善金属的本质,把被保护金属与腐蚀介质隔开,或对金属进行表面处理,改善腐蚀环境以及电化学保护等。

(1)改善金属的本质

根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金,或在金属中添加合金元素,提高其耐蚀性,可以防止或减缓金属的腐蚀。例如,在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。

(2)形成保护层

在金属表面覆盖各种保护层,把被保护金属与腐蚀性介质隔开,是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法,物理方法和电化学方法实现的。

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意义

  钢结构材料存在的另一大问题是容易腐蚀。随着我国经济建设的飞速发展以及环境的污染,钢材等金属的腐蚀所造成的浪费十分巨大。每年由于腐蚀造成的损失难以估量。据报道,英国每年由于金属腐蚀造成的损失达几亿英镑;美国每年因金属腐蚀造成的损失约占国民生产总值的4.2%;而我国每年因金属腐蚀引起的损失约为国民生产总值的2.3%.
  金属防腐蚀的手段很多,如采用耐腐蚀金属材料、电化学保护法、添加缓蚀剂、涂刷防腐蚀涂料等。其中以采用防腐蚀涂料最为普遍。这主要是由于采用涂料防腐蚀的使用范围广、施工方便、成本较低,而效果又较令人们满意的缘故。防腐蚀涂料作为金属防腐蚀的主要手段,各国多年来投入了大量的人力物力进行研究。

英国、美国、德国和日本等发达国家目前仍处于领先地位。防腐蚀涂料的品种很多,主要有:酚醛树脂类、环氧树脂类、过氯乙烯类、聚氨酯类、呋喃树脂类、橡胶类等,应用于不同的防腐蚀场合。据报道,日本每年采用防腐蚀涂料所消耗的费用达2万亿日元,占各种防腐蚀措施总费用的65%左右,防腐蚀涂料在国民经济建设中的地位可见一斑。我国通过几十年的努力,在防腐蚀涂料领域也已取得了显著的成果,以环氧树脂、过氯乙烯、氯磺化聚乙烯、呋喃树脂、聚氨酯等一大批树脂为原料的防腐蚀涂料已被开发并成功地用于防腐蚀工程中。

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