專利名稱：金屬/聚合物復(fù)合材料界面電位分布測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用電化學(xué)方法測(cè)試或分析材料的裝置。
金屬/聚合物或金屬/無機(jī)材料等各種復(fù)合材料在現(xiàn)代工程中具有越來越重要的作用。這些復(fù)合材料的破壞失效通常首先發(fā)生在金屬/聚合物或金屬/無機(jī)材料的界面。金屬/涂層界面的腐蝕破壞的本質(zhì)絕大多數(shù)是電化學(xué)過程，因此，多種電化學(xué)技術(shù)，包括直流穩(wěn)態(tài)技術(shù)和交流阻抗技術(shù)等被廣泛用于研究金屬/聚合物界面的腐蝕破壞機(jī)制，并評(píng)測(cè)涂層的耐蝕性能。然而，由于金屬表面的聚合物高絕緣性，傳統(tǒng)電化學(xué)難以檢測(cè)金屬/聚合物界面的腐蝕行為。金屬/聚合物界面腐蝕電位的測(cè)量對(duì)于研究金屬/聚合物界面不均一性，了解金屬/聚合物復(fù)合材料的腐蝕破壞機(jī)理，評(píng)測(cè)有機(jī)聚合物涂覆層的耐蝕性能是非常重要的。
目前國(guó)內(nèi)外已發(fā)展多種技術(shù)試圖測(cè)量金屬/聚合物界面不均一性，包括掃描交流阻抗技術(shù)、束絲電極和掃描Kelvin探針技術(shù)等。J.V.Standish和H.Leidheiser Jr.(Corrosion，1980，36390)提出的掃描交流阻抗技術(shù)是利用微探頭在有機(jī)涂層表面掃描，并施加單一頻率的交流激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量表面不同位置的電流響應(yīng)，以獲得交流阻抗分布圖。T.Y.Jun(Progressin Organic Coatings，1991，1995)提出的束絲電極是將一束金屬絲相互絕緣后用環(huán)氧樹脂固封在一起，金屬絲呈隨機(jī)分布，截面涂覆有機(jī)涂層，爾后置于溶液中手動(dòng)測(cè)量逐個(gè)金屬絲的電阻，從而獲得有機(jī)涂層的不均一性。M.Stratmann等(Phys，Chen.，1991，951365；Electrocjimica Acta，1994，391207)研究的掃描Kelvin探針技術(shù)是利用一支以固定頻率震蕩的鉻/鎳針尖(即Kelvin探頭)在涂層表面掃描，通過測(cè)量涂層表面與探針之間的伏打(Volta)電位，可獲得金屬/涂層界面的腐蝕電位。上述這些技術(shù)有較大的局限性，掃描交流阻抗技術(shù)和束絲電極法均不能直接獲得金屬/聚合物界面三維空間的腐蝕電位分布，掃描Kelvin探針技術(shù)測(cè)量?jī)x器復(fù)雜，且當(dāng)涂層較厚時(shí)，難以測(cè)得金屬/涂層界面的腐蝕電位分布。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用陣列電極配合多通道電子開關(guān)及微計(jì)算機(jī)技術(shù)，可直接原位測(cè)量金屬/聚合物復(fù)合材料界面電位分布的裝置。
本發(fā)明由陣列電極、參考電極、電解池、多通道模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、微計(jì)算機(jī)、電平轉(zhuǎn)換器組成。其中，陣列電極由一組金屬絲按M×N陣列排列，金屬絲的一端封裝在絕緣材料套圈內(nèi)，端截面涂刷有機(jī)聚合物涂層，每根金屬絲間相互絕緣。陣列電極和參考電極置于電解池內(nèi)，陣列電極的引出端分別接多通道模擬開關(guān)和多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，多通道模擬開關(guān)的一個(gè)公共I/O端與參考電極相連。多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接微計(jì)算機(jī)，微計(jì)算機(jī)的數(shù)字I/O端口輸出接電平轉(zhuǎn)換器，電平轉(zhuǎn)換器的開/關(guān)控制信號(hào)接多通道模擬開關(guān)。
陣列電極可采用M×M陣列平行排列。多通道模擬開關(guān)可采用COS-4路雙向模擬開關(guān)。
利用本發(fā)明所述的測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)微計(jì)算機(jī)送出的控制信號(hào)使得陣列電極的引出端全部連接一起，即相當(dāng)于一片基底金屬表面覆有涂層；而當(dāng)計(jì)算機(jī)控制使陣列電極引出端相互斷開，并由微計(jì)算機(jī)控制對(duì)64根電極進(jìn)行腐蝕電位逐個(gè)掃描測(cè)量(陣列電極引出端相互斷開及電位測(cè)量的時(shí)間約在毫秒數(shù)量級(jí))，由作圖程序繪制金屬/聚合物界面腐蝕電位分布(三維空間)圖。顯然，本發(fā)明可直接原位測(cè)量金屬/涂層界面腐蝕電位分布，由此可獲得有關(guān)涂層中的傳輸過程，涂層的不均一性及缺陷分布，涂層下金屬腐蝕破壞機(jī)制等重要研究信息，還可用于評(píng)測(cè)涂層的耐腐蝕性能；本發(fā)明不僅可用于研究金屬/聚合物界面腐蝕行為，而且還可測(cè)量金屬/無機(jī)材料界面腐蝕電位及其它復(fù)合材料界面電位。利用本發(fā)明所得的圖象直觀清晰，便于數(shù)據(jù)分析，且方法簡(jiǎn)單，適用性廣。本發(fā)明的測(cè)量方法及效果將在以下的測(cè)量實(shí)例中作進(jìn)一步的說明。


圖1為本發(fā)明的原理框圖。
圖2為本發(fā)明陣列電極結(jié)構(gòu)圖。
圖3為圖3的仰視圖。
圖4為本發(fā)明的電路原理圖。
圖5為計(jì)算機(jī)控制測(cè)量金屬/涂層界面腐蝕電位分布流程圖。
圖6為在0.1M氯化鈉溶液中浸漬4h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)涂層輕微劃傷時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖7為圖6的X-Y分布圖。
圖8為在0.1M氯化鈉溶液中漫漬24h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)涂層輕微劃傷時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖9為圖8的X-Y分布圖。
圖10為在0.1M氯化鈉溶液中浸漬4h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)涂層有氣泡缺陷時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖11為圖10的X-Y分布圖。
圖12為在0.1M氯化鈉溶液中浸漬120h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)涂層有氣泡缺陷時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖13為圖12的X-Y分布圖。
圖14為在0.1M氯化鈉溶液中浸漬72h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)基底表面受銹蝕污染時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖15為圖14的X-Y分布圖。
圖16為在0.1M氯化鈉溶液中浸漬136h，陣列電極表面涂覆約50μm厚度硝基漆，當(dāng)基底表面受銹蝕污染時(shí)金屬/涂層界面的腐蝕電位分布圖。
圖17為圖16的X-Y分布圖。
本發(fā)明的原理框圖如圖1所示，由表面涂覆有涂層的8×8陣列電極(1)、電解池(2)、多通道模擬開關(guān)(3)、參考電極(4)、A/D轉(zhuǎn)換器(5)、微計(jì)算機(jī)(6)和電平轉(zhuǎn)換器(8)組成。參見圖2，8，陣列電極由一束64根直徑為0.3mm的金屬絲(例如鐵絲)按8×8陣列平行排列，其一端用環(huán)氧樹脂封裝在有機(jī)玻璃套圈(11)內(nèi)，端截面涂刷所要研究的有機(jī)聚合物涂層(12)，每根金屬絲間相互絕緣。陣列電極裝配上研究用電解池(2)，置入?yún)⒖茧姌O(4)，充入所需研究的各種溶液介質(zhì)。陣列電極的所有電極引出端直接通過多通道模擬開關(guān)(3)與測(cè)量系統(tǒng)連接，從計(jì)算機(jī)設(shè)置必要的實(shí)驗(yàn)參數(shù)(如測(cè)量次數(shù)、測(cè)量間隔時(shí)間、總實(shí)驗(yàn)時(shí)間等)，運(yùn)行程序即可自動(dòng)測(cè)量且繪制金屬/聚合物界面腐蝕電位分布圖象。
圖4給出本發(fā)明的電路原理圖，8×8陣列電極由JP1輸入，通過JP2接到ADC的64路多路轉(zhuǎn)換器的輸入端，并同時(shí)接到U1～U1616片CMOS-4路雙向模擬開關(guān)(MC4066)的一個(gè)I/O端，16片MC4066的另一個(gè)I/O端連接在一起，并與參考電極(4)相連。當(dāng)PC從JP3輸出TTL高電平(＞3.6V)時(shí)，經(jīng)U17(LF351)電平轉(zhuǎn)換輸出+5V，MC4066開關(guān)導(dǎo)通，所有電極短接在一起。而當(dāng)PC輸出TTL低電平(＜0.35V)時(shí)，經(jīng)U17電平轉(zhuǎn)換輸出-5V，MC4066開關(guān)截止，這時(shí)各電極獨(dú)立分開，可由ADC多路轉(zhuǎn)換器分別選擇測(cè)量。由此可見，當(dāng)微機(jī)(PC)控制使得陣列電極的引出端全部連接一起，即相當(dāng)于一片基底金屬表面覆有涂層，而當(dāng)微機(jī)控制使陣列電極引出端相互斷開，并由微機(jī)控制對(duì)64根電極進(jìn)行腐蝕電位逐個(gè)掃描測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，送微機(jī)處理，由作圖程序繪制成三維空間電位分布圖，多通道模擬開關(guān)的動(dòng)作由微機(jī)送出信號(hào)，通過數(shù)字I/O端口(7)、電平轉(zhuǎn)換器加以控制。通常在浸漬條件下，陣列電極的64根線端全部短接一起，即多路開關(guān)處于“開”狀態(tài)，而只有在測(cè)量金屬/涂層界面腐蝕電位時(shí)，陣列電極的64根線端才全部相互斷開，此時(shí)，多路開關(guān)處在“斷”狀態(tài)。計(jì)算機(jī)控制的測(cè)量流程圖如圖5所示。以下給出3個(gè)測(cè)量實(shí)例。
1.圖6～9為陣列電極涂覆約50μm厚的硝基清漆，表面有一道輕微人工劃痕，在0.1MNaCl溶液中浸漬4小時(shí)和24小時(shí)的界面腐蝕電位分布圖象。電位分布圖象清晰地指明聚合物涂層的缺陷(劃傷)位置。腐蝕優(yōu)先在缺陷位置發(fā)生，在缺陷的中心位置為腐蝕的陽極區(qū)，在陽極區(qū)周圍存在陰極區(qū)，腐蝕過程隨浸泡時(shí)間而發(fā)展。由此可敏感檢測(cè)涂層缺陷位置，考察缺陷對(duì)涂層或復(fù)合材料腐蝕破壞的影響。
2.圖10～13為陣列電極表面涂覆約50μm厚的硝基清漆，在0.1MNaCl溶液中浸漬4小時(shí)和120小時(shí)的界面腐蝕電位分布圖象。圖中腐蝕電位最負(fù)的位置正好對(duì)應(yīng)于涂層中的氣泡位置(氣泡是由涂覆過程自然引入的)。氣泡是聚合物涂層中重要而又普通的缺陷，顯然腐蝕首先發(fā)生在氣泡缺陷的位置，而且隨著浸泡時(shí)間而發(fā)展。
3.圖14～17是陣列電極表面涂覆約50μm左右硝基清漆，在0.1MNaCl溶液中漫漬72小時(shí)和136小時(shí)的界面腐蝕電位分布圖象。發(fā)現(xiàn)有機(jī)涂層是不均勻的，腐蝕破壞優(yōu)先發(fā)生在薄弱的位置，并隨時(shí)間而發(fā)展。特別注意到，在腐蝕的陽極區(qū)(電位峰位置)周圍伴隨有陰極區(qū)(電位谷的位置)的存在。在陽極區(qū)發(fā)生金屬的溶解、腐蝕，而在陰極區(qū)發(fā)生涂層起泡、脫層破壞。陰極區(qū)也不斷擴(kuò)展，陽極區(qū)也隨之發(fā)展，這就是金屬/聚合物腐蝕破壞的基本過程。
權(quán)利要求
1.金屬/聚合物復(fù)合材料界面電位分布測(cè)量裝置，其特征在于包括陣列電極、參考電極、電解池、多通道模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器、微計(jì)算機(jī)和電平轉(zhuǎn)換器，陣列電極由一束金屬絲按M×N陣列排列，金屬絲的一端封裝在絕緣材料套圈內(nèi)，端截面涂刷有機(jī)聚合物涂層，每根金屬絲間相互絕緣；陣列電極和參考電極置于電解池內(nèi)，陣列電極的另一引出端分別接多通道模擬開關(guān)和多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；多通道模擬開關(guān)的一個(gè)公共I/O端與參考電極相連；多路模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出接微計(jì)算機(jī)，微計(jì)算機(jī)的數(shù)字I/O端口輸出接電平轉(zhuǎn)換器，電平轉(zhuǎn)換器的開/關(guān)控制信號(hào)接多通道模擬開關(guān)。
2.如權(quán)利要求1所述的金屬/聚合物復(fù)合材料界面電位分布測(cè)量裝置，其特征在于所說的陣列電極為M×M陣列平行排列。
3.如權(quán)利要求2所述的金屬/聚合物復(fù)合材料界面電位分布測(cè)量裝置，其特征在于所說的陣列電極為8×8陣列平行排列。
全文摘要
涉及一種電化學(xué)方法測(cè)試或分析材料的裝置，M×N陣列電極和參考電極置入電解池，陣列電極的引出端接多通道模擬開關(guān)，其輸出通過A/D轉(zhuǎn)換后輸至微計(jì)算機(jī)，微計(jì)算機(jī)輸出的控制信號(hào)通過數(shù)字I/O及電平轉(zhuǎn)換器接多通道模擬開關(guān)?？芍苯釉粶y(cè)量金屬/聚合物界面的電位分布，由此可研究腐蝕物種在聚合物涂層中的傳輸過程，可研究聚合物涂層的不均一性及缺陷分布，研究金屬/聚合物界面的腐蝕電化學(xué)機(jī)理，評(píng)測(cè)聚合物涂層的耐蝕性能。
文檔編號(hào)G01N27/26GK1119739SQ9510752
公開日1996年4月3日 申請(qǐng)日期1995年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年7月4日
發(fā)明者林昌健, 卓向東, 田昭武, 陳紀(jì)東, 王輝, 譚建光 申請(qǐng)人:廈門大學(xué)