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电极电势在金属腐蚀与防护中的应用

金属材料因其优异的性能得到广泛的应用，而随之带来的腐蚀问题也引起人们的普遍关注。金属腐蚀是指金属和环境介质之间发生物理溶解、化学（电化学）反应，导致金属的一部分或整体受到破坏或变质的现象。从热力学角度上，金属发生腐蚀是一个自发的过程，因此腐蚀现象是非常普遍的。金属腐蚀在生活中也是随处可见，最常见的，厨房用具的腐蚀；最普遍的，金属建筑的腐蚀；最难办的，家用电器的腐蚀等等。金属被腐蚀后，在外形、色泽以及机械性能方面都将发生变化，造成设备破坏、管道泄漏、产品污染，酿成燃烧或爆炸等恶性事故以及资源和能源的严重浪费，使国民经济受到巨大的损失。

金属腐蚀是一个全球普遍存在的问题，全球每年因为钢铁腐蚀而报废的设备占当年世界钢铁总产量的30%。世界各国因金属腐蚀而造成的经济损失远超过其它各种自然灾害引起的经济损失的总和，据世界腐蚀组织估计，全世界每年因腐蚀造成的经济损失达2.2万亿美元，超过世界国内生产总值的3%，并呈逐年上升趋势。中国工程院调查结果表明，2008年我国因腐蚀造成的经济损失就高达1.2～2万亿元人民币。可见，金属腐蚀与防护的研究不仅是一个重大的科学问题，而且具有重要的社会和经济意义。

?金属腐蚀的分类

按照金属腐蚀机理，腐蚀可分为三类：金属高温气体腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀。其中电化学腐蚀是指金属与电解质溶液接触发生电化学反应引起的腐蚀，实质是在与电解质溶液接触的金属表面上形成了腐蚀原电池。电化学腐蚀的特点是金属表面的原子失去电子，发生氧化反应；腐蚀介质中的去极化剂得到电子，发生还原反应；腐蚀过程伴有电流产生，以钢铁的腐蚀为例（如图1所示）。电化学腐蚀的影响腐蚀的因素有很多，包括电解质溶液（浓度差、温度差、氧浓度差）、环境因素（温度、压力、流速等）、金属的特性及其内部应力的差异、金属表面状态和腐蚀产物的性质等。例如，金属在海水中的腐蚀，在潮湿空气中的腐蚀，在地下土壤中的腐蚀以及在酸、碱、盐溶液中的腐蚀均属于电化学腐蚀。相比化学腐蚀，电化学腐蚀更广泛、更普遍。

图1钢铁的吸氧腐蚀示意图

金属腐蚀防护方法

研究金属腐蚀原理和规律的主要目的就是阻止或抑制腐蚀。根据金属腐蚀原理可知，控制腐蚀的主要途经是避免阴极与阳极形成电流回路。常用的腐蚀防护方法主要有改变金属本质、缓蚀剂法、电化学保护法以及涂层法。

1.改变金属本质

根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，达到阻止或减缓金属腐蚀的目的。比如，2017年5月5日成功首飞的国产大飞机C919大型客机，大范围地采用了轻质耐蚀性能优异的铝锂合金新型材料。

?2.缓蚀剂法

缓蚀剂是一种常用的防腐蚀手段。在腐蚀介质中添加少量缓蚀剂就能够明显降低腐蚀速率，从而起到阻止或减缓金属腐蚀的效果。缓蚀剂的作用机理是改变容易发生腐蚀的金属表面状态或者起到负催化剂的作用，使得阴极（或阳极）反应的活化能垒增加。缓蚀剂具有使用方便、工艺简单以及经济有效等优点，现已被广泛用于化学清洗、工序间防锈、金属制品储运、冷却水处理和石油开采等工程中。

3.电化学保护法

电化学保护是金属腐蚀防护的重要方法之一，腐蚀防护的原理是依靠外部电流改变金属电位，从而减缓或抑制金属腐蚀的一种保护技术。电化学保护可分为阳极保护法和阴极保护法。

图2牺牲阳极法

阴极保护法是最常用的电化学保护方法，作用机理是金属作为阴极，通过阴极极化使电位变负从而达到阻止金属腐蚀的目的。阴极保护的实现方法有牺牲阳极法和外加电流法。牺牲阳极保护法是把比被保护金属电极电位更负的材料做阳极，与被保护金属（作阴极）形成腐蚀电池，使得被保护金属发生极化而得到保护，如图2所示。外加电流法是利用外加直流电源，使被保护的金属作为阴极，与辅助阳极构成电流回路，被保护金属发生极化达到防腐的目的。阴极保护法适用于能导电、易发生阴极极化且结构不太复杂的体系，被广泛用于石油管道、大型设备（贮油罐）、船舶和港湾码头设施等金属设备及构件的防护，比如珠海港高栏港区神华煤炭储运一期工程钢管桩防腐蚀采用了电化学保护法——牺牲阳极法（图3）。

图3珠海港高栏港区

阳极保护是利用外加直流电源，将被保护金属作为阳极，与辅助阴极构成电流回路，使被保护金属发生极化处于钝化状态而得到保护。该法只适用于具有活化-钝化转变的金属，并且腐蚀介质须为氧化性介质。而在含有吸附性卤离子的介质中，该法是一种危险的防护手段，容易引起点蚀。阳极保护的应用是有限的，目前主要用于有机磺酸中和罐、各类酸液存贮槽及贮罐等设备的保护。

?4.涂层法

涂层法是应用最为广泛、经济、有效的一种防腐蚀手段。涂层法是通过在金属表面涂覆保护层，将被保护金属与腐蚀介质隔开，从而达到防腐蚀的目的。涂层分为两大类：金属涂层和非金属涂层。金属涂层是将一种金属镀在被保护金属制品