低驱动电位铝合金牺牲阳极材料的开发及性能研究

摘要

随着我国深海探测技术的发展以及海洋开发的加强，高强钢得到了越来越多的应用。为了抑制钢材在海水环境中的腐蚀，同时避免由于保护电位过高而造成高强钢的氢脆危险，开发拥有较好综合性能的低电位阳极材料变得极为重要。针对这一需要，并参考前人研究经验，本文通过向Al-Zn-Ga-Si阳极中添加合金元素Bi、Sn、Ce设计了13种低电位牺牲阳极，并通过牺牲阳极电化学性能试验测试、极化曲线测试、电化学阻抗测试、金相观察、微区电位测试以及溶解形貌观察等试验研究了各种阳极配方的综合性能，并总结出了这几种合金元素对阳极性能影响的规律，优选出了电位为-0.773～-0.815V，电流效率83%以上且具有良好溶解形貌的Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极。后期通过改变阳极试样的试验环境，研究了温度、溶解氧浓度对牺牲阳极性能的影响。试验结果表明： Bi元素对Al-Zn-Ga-Si系阳极晶粒尺寸的影响不大。添加Bi后阳极材料的实际电容量达2500A·h·kg-1以上，电流效率达到85%左右，且工作电位符合要求。Bi可以使阳极表面电位分布更加均匀，改善阳极材料的溶解形貌。确定该低电位阳极体系中Bi的含量以0.05%较为合适。 Sn元素可以起到细化晶粒的作用，添加Sn之后阳极材料的实际电容量及电流效率出现明显的提升。但通过极化曲线测量发现材料阳极区有一定的钝化行为。随着阳极材料中Sn元素含量增高阳极表面电位逐渐分布均匀，阳极材料的溶解性能得到改善。确定该低电位阳极体系中Sn的含量以0.05%较为合适。 稀土元素Ce在阳极中可以起到细化阳极晶粒的作用，当其含量为0.1%，阳极晶粒细化效果最佳。此时，阳极工作电位范围在-773～-815mV之间，符合低电位阳极标准。阳极的表面的活性会随着Ce的增加先增强后减弱。当Ce含量为0.1%时，阳极表面氧化膜阻值最小，活化溶解性能及溶解形貌较好。因此阳极中Ce的含量以0.1%为最佳。 海水温度降低使开路电位出现正移，但正移的幅值较小，大概为50mV。溶解氧浓度的降低会使阳极材料的开路电位发生负移，幅值在100mV左右。低温会使阳极晶间腐蚀加重，阳极溶解形貌恶化。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2阴极保护法

1.2.1 外加电流保护法

1.2.2 牺牲阳极保护法

1.3 铝合金阳极材料的研究现状

1.3.1 铝合金阳极材料的发展

1.3.2 低电位铝牺牲阳极的研究进展

1.3.3 影响铝牺牲阳极电化学性能的主要因素

1.3.4 海洋环境因素对铝牺牲阳极电化学性能的影响

1.3.5 铝合金牺牲阳极活化机理研究

1.4 课题研究目的及研究内容

1.4.1 课题研究目的

1.4.2 研究内容

1.4.3 研究方案

1.4.3 研究路线

2 实验方法

2.1 实验介质

2.2 铝阳极材料的设计与熔炼

2.2.1 阳极配方的设计

2.2.2 阳极的熔炼

2.3 阳极试样的制备

2.3.1 恒电流牺牲阳极实验的试样制备

2.3.2 金相观察，极化曲线等试样制备

2.4实验仪器

2.5 牺牲阳极电化学性能试验

2.6 电化学阻抗谱测量

2.7 极化曲线测量

2.8 微区电位分布测量

2.9 金相组织观察

2.10 SEM微观溶解形貌分析

2.11三维视频形貌分析

3 五元铝合金阳极性能研究

3.1 前言

3.2 Al-Zn-Ga-Si-Bi阳极性能研究

3.2.1 Al-Zn-Ga-Si-Bi阳极金相组织分析

3.2.2 Al-Zn-Ga-Si-Bi电化学性能分析

3.2.3 Al-Zn-Ga-Si-Bi极化曲线分析

3.2.4 Al-Zn-Ga-Si-Bi电化学阻抗谱分析

3.2.5 Al-Zn-Ga-Si-Bi微区电位分析

3.2.6 Al-Zn-Ga-Si-Bi牺牲阳极形貌分析

3.3 Al-Zn-Ga-Si-Sn阳极性能研究

3.3.1 Al-Zn-Ga-Si-Sn金相分析

3.3.2 Al-Zn-Ga-Si-Sn牺牲阳极电化学性能分析

3.3.3 Al-Zn-Ga-Si-Sn极化曲线分析

3.3.4 Al-Zn-Ga-Si-Sn电化学阻抗谱分析

3.3.5 Al-Zn-Ga-Si-Sn微区电位分析

3.3.6 Al-Zn-Ga-Si-Sn溶解形貌分析

3.4 Sn和Bi对阳极性能影响对比

3.5 本章小结

4 六元铝合金阳极性能研究

4.1 前言

4.2 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极金相分析

4.3 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极电化学性能分析

4.4 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极极化曲线分析

4.5 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极电化学阻抗谱分析

4.6 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极微区电位（SKP）分析

4.7 Al-Zn-Ga-Si-Bi-Ce阳极溶解形貌分析

4.8 本章小结

5 深海环境因素对铝合金阳极性能影响

5.1 前言

5.2 温度和溶解氧对阳极性能影响

5.3 温度和溶解氧对阳极溶解形貌影响

5.4 不同温度下阳极的溶解机理

5.5 温度对阳极电化学性能的影响

5.5.1 温度对阳极极化曲线的影响

5.5.2 温度对阳极电化学阻抗的影响

5.6 溶解氧浓度对阳极电化学性能的影响

5.6.1 溶解氧浓度对阳极极化曲线的影响

5.6.2 溶解氧浓度对电化学阻抗谱的影响

5.8 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文