基于全息技術(shù)的金屬電化學(xué)腐蝕過程在線檢測方法研究.pdf

1、金屬材料的腐蝕問題遍及國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)的各個(gè)部門。據(jù)統(tǒng)計(jì),金屬腐蝕每年給一個(gè)工業(yè)國家造成的損失約占其國民生產(chǎn)總值(GNP)的3％-3.5%。金屬的電化學(xué)腐蝕是金屬腐蝕的主要形式,研究金屬的電化學(xué)腐蝕行為和機(jī)理、闡明影響金屬電化學(xué)腐蝕的因素是金屬防腐的關(guān)鍵。盡管國內(nèi)外已有大量的研究試圖解釋金屬的腐蝕機(jī)理,但迄今為止對金屬的腐蝕過程還有許多基礎(chǔ)的科學(xué)問題尚未解決,造成這種情況的主要原因是缺乏有效的在線檢測方法。因此,發(fā)展現(xiàn)場、實(shí)時(shí)的觀測手

2、段是研究金屬電化學(xué)腐蝕過程的重要途徑,不僅具有重大的科學(xué)意義,而且還具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
　　本文以建立一種適合研究金屬電化學(xué)腐蝕過程的全息在線檢測方法為目標(biāo),首先設(shè)計(jì)適合觀測金屬電化學(xué)腐蝕過程的全息測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),根據(jù)腐蝕過程的特點(diǎn)設(shè)計(jì)全息圖像處理算法,重建全息圖的相位分布以實(shí)現(xiàn)電極/溶液界面動(dòng)態(tài)變化的實(shí)時(shí)定量測量,再根據(jù)電極過程中電極/溶液界面的擴(kuò)散傳質(zhì)模型,以經(jīng)典電化學(xué)體系為測試對象驗(yàn)證全息測試系統(tǒng)和相位重建算法的準(zhǔn)確性和

3、可靠性,最后在驗(yàn)證系統(tǒng)測試結(jié)果合理的基礎(chǔ)上利用該系統(tǒng)研究典型的電化學(xué)腐蝕體系,探索這些體系的腐蝕機(jī)理。主要開展了以下四個(gè)方面的工作:
　　1.設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了觀測金屬電化學(xué)腐蝕過程的全息測試系統(tǒng)。以馬赫-曾德爾干涉儀為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)全息干涉光路系統(tǒng),現(xiàn)場、實(shí)時(shí)檢測電極/溶液界面的動(dòng)態(tài)變化,利用CCD圖像采集系統(tǒng)記錄全息干涉圖像,并利用計(jì)算機(jī)和DSP視頻信號處理器分析全息視頻圖像。搭建了全息測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬軟件平臺(tái),將全息測試與電化學(xué)測試結(jié)合

4、同步觀測金屬的電化學(xué)腐蝕過程。
　　2.對干涉條紋圖像處理算法進(jìn)行了研究。根據(jù)金屬電化學(xué)腐蝕過程的特點(diǎn),以相移技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種適合本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的全息圖像處理算法,結(jié)合空間相移和空間頻域?yàn)V波方法求解金屬電化學(xué)腐蝕過程電極/溶液界面濃度變化引起的物光波前相位變化,開發(fā)了相應(yīng)的全息圖像處理程序,實(shí)現(xiàn)了對電化學(xué)腐蝕過程的定量分析。
　　3.定量研究了電極/溶液界面的擴(kuò)散傳質(zhì)過程。以典型電極反應(yīng)過程為研究對象,測量了電化學(xué)過程中電極

5、/溶液界面的濃度分布變化、擴(kuò)散層厚度、反應(yīng)離子擴(kuò)散系數(shù)等重要參數(shù),并將測試結(jié)果同經(jīng)典模型和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)做比較,從不同的角度驗(yàn)證了全息測試系統(tǒng)的有效性、測量數(shù)據(jù)和結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
　　4.利用全息測試方法研究了典型電化學(xué)腐蝕體系的腐蝕行為和機(jī)理。分別以銅在含氯離子環(huán)境和鐵在酸性腐蝕介質(zhì)的陽極過程為研究對象,配合常規(guī)電化學(xué)方法,通過改變Cl-濃度、外加磁場等因素,研究了上述體系陽極溶解過程中界面離子種類和表面膜組成的動(dòng)態(tài)變化,為深入

6、探討相關(guān)腐蝕體系的電化學(xué)腐蝕機(jī)理、完善相應(yīng)的理論模型提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
　　結(jié)果表明,全息測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了金屬電化學(xué)腐蝕過程中電極/溶液界面濃度變化、擴(kuò)散層厚度的動(dòng)態(tài)、定量測量,并根據(jù)界面擴(kuò)散層厚度隨時(shí)間的變化關(guān)系擬合了反應(yīng)離子的擴(kuò)散系數(shù),測量結(jié)果精度較高,并且與理論模型和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)較為吻合;通過對電化學(xué)腐蝕體系的實(shí)例研究表明,全息測試方法獲得了其他測試手段難以得到的新信息,為闡明Cu/NaCl、Fe/H2SO4等電化學(xué)腐蝕體系的