上海如海光电科技有限公司

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拉曼光谱用于钢材锈蚀成分检测研究

如海光电

2022.7.02

钢材的使用几乎遍及各行各业及生活的每个角落，腐蚀所带来的影响和灾害虽悄无声息，却如同地震，火灾一样，具有极强的破坏力。全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失可达8000亿~10000亿美元，历年统计数据显示腐蚀造成的损失约为台风、地震、洪水等自然灾害的4~6倍，而腐蚀带来的经济损失可以达到国家经济总量的3%~4%。

为什么要研究锈层组成？

据1998年腐蚀调查的结果，我国因腐蚀问题造成的损失已达到2800亿元。车辆、桥梁、建筑塔架等钢材长期暴露于大气之中，腐蚀是造成其性能下降甚至损坏的重要原因。对于建筑物中的钢材，锈蚀会直接影响到服役结构和构件的承载能力，锈蚀膨胀会影响混凝土结构，发生层裂和锈胀裂缝，严重时甚至可能造成桥梁或建筑的结构提前失效甚至倒塌。而且钢材腐蚀生成的红锈，在流淌时也会严重影响周边的混凝土建筑物和环境。因此钢材腐蚀问题一直是研究的热点。

对于钢材而言，其耐蚀机理与锈层的组成与结构密切相关，因此对腐蚀锈层的成分及结构进行分析，探讨锈层的组成物相是非常重要的课题。目前国内主要使用X射线和红外光谱仪，需要对锈层进行取样，且存在较大的人为误差。而拉曼光谱不需要取样，可以直接对基体上不同点位处的锈层进行原位无损检测，并且检测结果快速准确。

如海光电使用RMS1000便携式拉曼设备，可以对钢材锈蚀层的不同点位进行原位检测，搭配显微还可实现微区成像功能。测得的拉曼谱图与数据库及文献对比，可鉴别不同锈蚀成分，对钢材的锈蚀进行研究。

基本原理

拉曼光谱是通过高能量、窄线宽激光激发样品的拉曼散射信号，利用光纤光谱仪探测接收不同波数的拉曼散射信号。由于拉曼光谱本身具有高特异性，不同物质不同结构的拉曼光谱理论上并不相同，因此拉曼光谱又被称为“指纹光谱”。其由于快速、无损、准确的特点广泛运用在各个领域。

实验仪器搭建及样品

本次检测使用如海光电785nm便携式微型拉曼光谱仪RMS1000，并搭配显微镜和显微拉曼适配模组。

图1 RMS1000搭配显微拉曼成像

图2 钢板锈层试样

实验过程

在钢板锈层上选择五个检测点位，实验样品编号为a、b、c、d、e，a点为黑色锈层，b、c、e分别为不同位置、不同颜色深浅的黄色锈层，d为白色锈层。分别对五个样品点位的锈层进行显微成像和拉曼检测。

图3 采样点位置示意图

五个样品点位的成像图：

用RMS1000对样品进行测试，并对样品拉曼光谱进行预处理去除基线后可得到下图谱：

图4 785nm激发拉曼测试结果

图4显示，不同颜色锈层有明显不同的拉曼信号峰，且拉曼信号集中在1500cm^-1以下的低波数区域。

其中黑色锈层在214cm^-1、283cm^-1、401cm^-1、486cm^-1、604cm^-1处出现明显的拉曼信号峰，且486cm^-1和604cm^-1处信号峰为黑色锈层区别于其他锈层的拉曼信号。

图5 黑色锈层拉曼信号

白色区域在275cm^-1、709cm^-1、1087cm^-1处有明显的拉曼信号峰，其中709cm^-1处和1087cm^-1处拉曼峰位与其他颜色锈层信号区分度明显。

图6 白色锈层拉曼信号

三个黄色区域采样点信号有所差异，b点在211cm^-1、278cm^-1、396cm^-1有拉曼信号，c点在240cm^-1、283cm^-1、387cm^-1处有拉曼信号，e点在216cm^-1、242cm^-1、248cm^-1、394cm^-1处有拉曼信号。

图7 黄色锈层拉曼信号

各采样点位拉曼信号峰位如下：

各采样点拉曼峰位

实验结论

本实验利用显微拉曼系统采集了五个区域，三种不同颜色的样品拉曼光谱。实验结果显示不同颜色锈层间的拉曼信号峰位差异较大，使用785nm拉曼可对不同颜色锈层进行区分。

样品信号中可观察到Fe2O3的峰位（a点283cm^-1，b点278cm^-1，c点283cm^-1，d点275cm^-1），可观察到羟基氧化铁α-FeOOH的峰位（a点401cm^-1，b点396cm^-1，c点387cm^-1，e点394cm^-1），α-FeOOH中O-H弯曲振动特征峰为397cm^-1。

参考文献

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本文作者：肖亦然

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