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模拟大气环境下LY12铝表面液膜形成过程的环境扫描电镜研究
上一篇 / 下一篇 2008-05-23 00:01:19/ 个人分类：文献
姚琲，黄彦维，李春艳，薛涛，张长亮
（天津大学分析测试中心，天津大学材料学院，天津，300072）
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国家重点基础研究发展规划项目 G19990650
作者简介：姚琲，男，1956生，教授，博导，主要从事方向为测试计量技术与仪器
摘要：采用环境扫描电子显微镜模拟大气环境，并实时观察积有灰尘、油污、盐粒子的LY12铝表面液膜形成过程。分析表明，受到以上污染的样品表面比洁净的样品更容易形成液膜，为大气腐蚀的发生创造了条件。
关键词：环境扫描电镜；铝；大气腐蚀；液膜
1 引言
金属在常温下大气中的腐蚀称为大气腐蚀。在通常的环境条件下，金属表面都会形成一层很薄的水膜。城市环境大气中含有较多的二氧化硫和氮氧化合物，海洋环境大气中的微小水滴含有较高浓度的氯离子，这些物质很容易穿过金属表面的薄液膜，为形成电化学腐蚀提供了条件。表面结露并形成液膜是金属大气腐蚀的早期阶段，环境条件和金属表面的各种污染物都会对液膜形成和金属大气腐蚀行为产生影响。
徐乃欣等利用光学显微镜和照相装置研究了金属表面结露行为的影响因素[1]，我们用环境扫描电镜观察了金属表面液膜形成动态过程。
应用环境扫描电子显微镜，可以在一定的范围内调节样品表面的压力、温度或湿度，无需对含水、含油、非导电、被污染的样品进行任何处理就可以实现高分辨动态观察。本文利用环境扫描电镜近似模拟大气环境下LY12铝表面液膜的形成过程，研究了各种污染物对液膜形成的影响，是一项具有特色的研究方法。
2 试验方法
实验材料为LY12合金铝，试样尺寸为5mm×5mm×1.8mm。试样表面用砂纸逐级抛光，再用蒸馏水、乙醇冲洗。实验共准备了分别沾有灰尘、油污和盐粒的三组试样。
用PHILIPS XL-30 ESEM环境扫描电镜模拟大气环境，通过调节样品室内水蒸气的压力和样品台的温度，改变样品附近的湿度，在不同放大倍数下，观察样品表面液膜的形成和变化过程。
3试验结果和讨论
3.1积灰尘LY12铝表面形貌分析
一般说来，积尘表面的金属比较容易受腐蚀，一方面是由于一部分固体沉积物本身就是腐蚀性物质（如硫酸铵），另一方面由于固体沉积物同金属表面形成的缝隙的毛细凝聚作用，使得在较低的相对湿度下，固体沉积物下面会有水珠凝聚，形成液膜，空气中的氧或其它氧化性的物质穿过液膜，造成腐蚀金属[2-4]。
在液膜形成的模拟实验中，为在样品室中得到合适的湿度，同时又满足电镜气体二次电子探测器工作和获得较高质量电子束的需要，将水蒸气压力设定为5.0Torr。根据压力、温度和湿度的换算关系，见表１，改变温度即可获得实验所需的各种湿度值。
在实验中，当温度降至0℃时，积尘区铝表面发生结露，随后露珠增大，渐渐连成液膜（图1中衬度较低的区域）。我们选择了不同的区域，在多种放大倍数下观察液膜成长动态过程。当温度降到－1℃时，洁净区的铝表面也开始结露。
图1是样品台温度为0.5℃，压力为5.0Torr，放大倍数200时的环境扫描电镜照片。
Fig.1 0.5℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on dust covered Al surface(zoom in 200)
3.2积油污LY12铝表面形貌分析
温度降至0℃时，结露先发生在油污区，随时间的延长，露珠逐渐变大，沿着油污区扩展而变成液膜。和无油污区相比较，油渍增加了铝表面的可浸润性,所以有利于液膜的形成。
从图2、图3可以看出，由于油和水密度不同，并且二者相容性差，我们看到“镶嵌”在油中的水珠和漂浮在水上的油珠。（图中衬度较高的为水珠，衬度较低的为油珠）而干净区铝表面则没有露珠出现。
Fig.2 1.0℃，5.0Torr， Photograph of oil smear covered Al surface(zoom in 200)
3.3积盐粒子LY12铝表面形貌分析
在海洋大气中各种金属较容易腐蚀[5-6]，因为，金属表面处于湿润状态，有充分的氧和较高浓度的氯粒子供应，使金属表面不能生成具有保护性的氧化物膜，所以很容易被腐蚀。NaCl有很强的吸湿性，并能溶于金属表面液膜形成强腐蚀性的介质，它对金属腐蚀行为的影响是很大的，因此这部分研究很具实际意义。
试验采用NaCl饱和溶液，滴于样品表面。样品在室温下放置，由于溶液不断蒸发，盐粒子析出，如图4。当温度降至2.8℃时，盐粒子区结露，进而形成液膜，如图5。而无盐区仍然保持着原来的状态。
液膜中渗透力极强的Cl-1对金属腐蚀的影响是很大的，若Cl-1含量增多，则电导率变高，在这种腐蚀介质存在的条件下，金属表面难以保持稳定的钝态，易产生空蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等[7]。
Fig.4 4.0℃, 5.0Torr，Photograph ofsalt covered Al surface(zoom in 150)
Fig.5 2.8℃, 5.0Torr，Photograph of liquid film on salt covered Al surface(zoom in 600)
4：结论
1 利用环境扫描电镜，通过调整温度、压力来间接改变湿度，从而模拟大气环境来研究受污染的金属表面的水膜成膜过程是可行的。本方法分辨率高，实时性强，是研究大气腐蚀的特色方法。
2 与洁净样品相比，积尘、油污、盐粒子金属表面较容易结露形成液膜，为发生电化学反应创造了条件，从而加速了大气腐蚀的发生。
参考文献：
[1] 徐乃欣，赵灵源，丁翠红等．碳钢大气腐蚀时表面结露行为的某些影响因素[J]．腐蚀与防护，2001，22(12)：523
[2] Biestek T．Atmospheric Corrosion[M]．New York：John Wiley，1982：631
[3] Firel J J．Atmospheric corrosion products on Al，Zn and AlZn metallic coatings[J]．Corrosion，1986，42：422-426
[4] Almeida M,Morcillo M,Rosales B．Atmospheric Corrosion of zinc [J]．Br．Corros．J．，2000，35：289-296
[5]Feliu S，Morcillo M，Chico B．Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate[J]．Corrosion，1999，55：883-891
[6]J．R．Vilche， F．E．Varela，G．Acuna，E．N．Codaro，B．M．Rosales，A．Fernandez and G．Moriena． A survey of Agentinean atmospheric corrosion：I-Aluminium and Zinc samples[J]．Corrosion Science，1995，37(6)：941-961
[7] 黄淑菊．金属腐蚀与防护[M]．西安：西安交通大学出版社，1987：208
Investigation of the Water Film Forming on the Surface of LY12 Al under the Simulated Atmospheric Environment by Using Environmental Scanning Electron Microscope
PeiYao, Yanwei Huang, Chunyan Li, Tao Xue, Chang Liang Zhang
Center for Analysis of TianjinUniversity, School of Material of TianjinUniversity
（天津大学分析测试中心，天津大学材料学院，天津，300072）
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国家重点基础研究发展规划项目 G19990650
作者简介：姚琲，男，1956生，教授，博导，主要从事方向为测试计量技术与仪器
摘要：采用环境扫描电子显微镜模拟大气环境，并实时观察积有灰尘、油污、盐粒子的LY12铝表面液膜形成过程。分析表明，受到以上污染的样品表面比洁净的样品更容易形成液膜，为大气腐蚀的发生创造了条件。
关键词：环境扫描电镜；铝；大气腐蚀；液膜
1 引言
金属在常温下大气中的腐蚀称为大气腐蚀。在通常的环境条件下，金属表面都会形成一层很薄的水膜。城市环境大气中含有较多的二氧化硫和氮氧化合物，海洋环境大气中的微小水滴含有较高浓度的氯离子，这些物质很容易穿过金属表面的薄液膜，为形成电化学腐蚀提供了条件。表面结露并形成液膜是金属大气腐蚀的早期阶段，环境条件和金属表面的各种污染物都会对液膜形成和金属大气腐蚀行为产生影响。
徐乃欣等利用光学显微镜和照相装置研究了金属表面结露行为的影响因素[1]，我们用环境扫描电镜观察了金属表面液膜形成动态过程。
应用环境扫描电子显微镜，可以在一定的范围内调节样品表面的压力、温度或湿度，无需对含水、含油、非导电、被污染的样品进行任何处理就可以实现高分辨动态观察。本文利用环境扫描电镜近似模拟大气环境下LY12铝表面液膜的形成过程，研究了各种污染物对液膜形成的影响，是一项具有特色的研究方法。
2 试验方法
实验材料为LY12合金铝，试样尺寸为5mm×5mm×1.8mm。试样表面用砂纸逐级抛光，再用蒸馏水、乙醇冲洗。实验共准备了分别沾有灰尘、油污和盐粒的三组试样。
用PHILIPS XL-30 ESEM环境扫描电镜模拟大气环境，通过调节样品室内水蒸气的压力和样品台的温度，改变样品附近的湿度，在不同放大倍数下，观察样品表面液膜的形成和变化过程。
3试验结果和讨论
3.1积灰尘LY12铝表面形貌分析
一般说来，积尘表面的金属比较容易受腐蚀，一方面是由于一部分固体沉积物本身就是腐蚀性物质（如硫酸铵），另一方面由于固体沉积物同金属表面形成的缝隙的毛细凝聚作用，使得在较低的相对湿度下，固体沉积物下面会有水珠凝聚，形成液膜，空气中的氧或其它氧化性的物质穿过液膜，造成腐蚀金属[2-4]。
在液膜形成的模拟实验中，为在样品室中得到合适的湿度，同时又满足电镜气体二次电子探测器工作和获得较高质量电子束的需要，将水蒸气压力设定为5.0Torr。根据压力、温度和湿度的换算关系，见表１，改变温度即可获得实验所需的各种湿度值。
在实验中，当温度降至0℃时，积尘区铝表面发生结露，随后露珠增大，渐渐连成液膜（图1中衬度较低的区域）。我们选择了不同的区域，在多种放大倍数下观察液膜成长动态过程。当温度降到－1℃时，洁净区的铝表面也开始结露。
图1是样品台温度为0.5℃，压力为5.0Torr，放大倍数200时的环境扫描电镜照片。
Fig.1 0.5℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on dust covered Al surface(zoom in 200)
3.2积油污LY12铝表面形貌分析
温度降至0℃时，结露先发生在油污区，随时间的延长，露珠逐渐变大，沿着油污区扩展而变成液膜。和无油污区相比较，油渍增加了铝表面的可浸润性,所以有利于液膜的形成。
从图2、图3可以看出，由于油和水密度不同，并且二者相容性差，我们看到“镶嵌”在油中的水珠和漂浮在水上的油珠。（图中衬度较高的为水珠，衬度较低的为油珠）而干净区铝表面则没有露珠出现。
Fig.2 1.0℃，5.0Torr， Photograph of oil smear covered Al surface(zoom in 200)
Fig.3 0℃，5.0Torr，Photograph ofliquid film on oil smear covered Al surface(zoom in 200)
3.3积盐粒子LY12铝表面形貌分析
在海洋大气中各种金属较容易腐蚀[5-6]，因为，金属表面处于湿润状态，有充分的氧和较高浓度的氯粒子供应，使金属表面不能生成具有保护性的氧化物膜，所以很容易被腐蚀。NaCl有很强的吸湿性，并能溶于金属表面液膜形成强腐蚀性的介质，它对金属腐蚀行为的影响是很大的，因此这部分研究很具实际意义。
试验采用NaCl饱和溶液，滴于样品表面。样品在室温下放置，由于溶液不断蒸发，盐粒子析出，如图4。当温度降至2.8℃时，盐粒子区结露，进而形成液膜，如图5。而无盐区仍然保持着原来的状态。
液膜中渗透力极强的Cl-1对金属腐蚀的影响是很大的，若Cl-1含量增多，则电导率变高，在这种腐蚀介质存在的条件下，金属表面难以保持稳定的钝态，易产生空蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀等[7]。
Fig.4 4.0℃, 5.0Torr，Photograph ofsalt covered Al surface(zoom in 150)
Fig.5 2.8℃, 5.0Torr，Photograph of liquid film on salt covered Al surface(zoom in 600)
4：结论
1 利用环境扫描电镜，通过调整温度、压力来间接改变湿度，从而模拟大气环境来研究受污染的金属表面的水膜成膜过程是可行的。本方法分辨率高，实时性强，是研究大气腐蚀的特色方法。
2 与洁净样品相比，积尘、油污、盐粒子金属表面较容易结露形成液膜，为发生电化学反应创造了条件，从而加速了大气腐蚀的发生。
参考文献：
[1] 徐乃欣，赵灵源，丁翠红等．碳钢大气腐蚀时表面结露行为的某些影响因素[J]．腐蚀与防护，2001，22(12)：523
[2] Biestek T．Atmospheric Corrosion[M]．New York：John Wiley，1982：631
[3] Firel J J．Atmospheric corrosion products on Al，Zn and AlZn metallic coatings[J]．Corrosion，1986，42：422-426
[4] Almeida M,Morcillo M,Rosales B．Atmospheric Corrosion of zinc [J]．Br．Corros．J．，2000，35：289-296
[5]Feliu S，Morcillo M，Chico B．Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate[J]．Corrosion，1999，55：883-891
[6]J．R．Vilche， F．E．Varela，G．Acuna，E．N．Codaro，B．M．Rosales，A．Fernandez and G．Moriena． A survey of Agentinean atmospheric corrosion：I-Aluminium and Zinc samples[J]．Corrosion Science，1995，37(6)：941-961
[7] 黄淑菊．金属腐蚀与防护[M]．西安：西安交通大学出版社，1987：208
Investigation of the Water Film Forming on the Surface of LY12 Al under the Simulated Atmospheric Environment by Using Environmental Scanning Electron Microscope
PeiYao, Yanwei Huang, Chunyan Li, Tao Xue, Chang Liang Zhang
Center for Analysis of TianjinUniversity, School of Material of TianjinUniversity
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