如果您曾經(jīng)生活在潮濕的地方，則可能熟悉一種稱為大氣腐蝕的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的常見結(jié)果是日常生銹。這種類型的金屬腐蝕經(jīng)常發(fā)生，以至于建筑和制造領(lǐng)域的專業(yè)人員經(jīng)常使用某種形式的腐蝕防護(hù)，即使只是在金屬上涂一層涂層也是如此。為了有效地分析腐蝕過程并優(yōu)化預(yù)防技術(shù)，工程師可以使用COMSOLMultiphysics?軟件。

防止設(shè)計(jì)生銹

大氣腐蝕是金屬與電解質(zhì)（例如水）接觸時(shí)發(fā)生的電化學(xué)現(xiàn)象。即使是一小層濕氣，也足以隨著時(shí)間的推移對(duì)結(jié)構(gòu)造成很多破壞。漫長的冬天過后，您可能已經(jīng)看到了這種效果。當(dāng)雪開始融化時(shí)，您不小心離開的自行車就生銹了。導(dǎo)致大氣腐蝕的其他因素包括城市的空氣污染和海洋環(huán)境中的鹽分。

生銹的排氣管。

由于不容易預(yù)測或控制環(huán)境因素，因此許多工程師采用各種方法來保護(hù)其設(shè)計(jì)免受大氣腐蝕。例如，根據(jù)環(huán)境的不同，制造商可能會(huì)選擇使用比其他金屬（例如鋼和鐵）更自然抗腐蝕的金屬（例如銅和鋁）。其他形式的保護(hù)包括在設(shè)計(jì)上施加保護(hù)層，例如不太貴重的金屬（例如，鍍鋅鋅鋼，鍍錫銅）；以及 涂料; 或防腐材料。

通過陰極和陽極保護(hù)減少腐蝕

減少大氣腐蝕的另一種策略是采用陰極保護(hù)。與電解質(zhì)接觸的金屬具有發(fā)生氧化（保護(hù)）的陰極區(qū)域和發(fā)生還原（腐蝕）的陽極區(qū)域。腐蝕的金屬通常會(huì)被氧化，釋放出的電子會(huì)參與陰極反應(yīng)。盡管技術(shù)各不相同，但陰極保護(hù)涉及從外部源（如電流）向金屬提供電子。陰極保護(hù)對(duì)于常見的環(huán)境很有用，例如金屬會(huì)暴露在水中。

例如，通過在鋅鍍鋅鋼中涂覆金屬涂層，鋅將成為陽極，因?yàn)樗馁F金屬較少，并且每當(dāng)鋼因鋅層的損壞而暴露于電解質(zhì)中時(shí)，就可以保護(hù)陰極鋼免受腐蝕。 。還有其他陰極保護(hù)方法，例如使用犧牲陽極或施加電流，但是這些方法僅在將物體浸入電解質(zhì)（例如水）中時(shí)才是可靠的。

在某些環(huán)境中，也可以使用陽極保護(hù)。該方法涉及通過施加受控的小陽極電流將金屬偏置到無源區(qū)域。該電流將產(chǎn)生一個(gè)鈍化的薄薄膜層，從而“阻止”陽極腐蝕反應(yīng)。它通常用于腐蝕性極強(qiáng)的環(huán)境中，例如當(dāng)不銹鋼暴露于磷酸中時(shí)。

借助COMSOL Multiphysics和附加的腐蝕模塊，工程師可以評(píng)估設(shè)計(jì)中的陰極和陽極保護(hù)，電解質(zhì)電勢和腐蝕反應(yīng)。例如，讓我們看一下母線的模型，母線是用于在建筑物，車輛等中分配功率的母線，因此會(huì)在許多不同的環(huán)境中受到大氣腐蝕。

模擬母線的大氣腐蝕

此大氣腐蝕示例中的母線由多種材料和零件組成：

• 銅法蘭

• 鋁法蘭

• 鋅螺母和螺栓

母線槽的幾何形狀由銅法蘭，鋁法蘭和鋅螺母和螺栓組成。

這些表面中的每一個(gè)都引起兩個(gè)反應(yīng)：

1. 金屬溶解，其中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)由陽極Tafel表達(dá)式描述

2. 氧還原，其中反應(yīng)動(dòng)力學(xué)由陰極Tafel表達(dá)式描述

在該示例中，后一種反應(yīng)（還原）受到氧氣通過薄膜的傳輸?shù)南拗?，極限電流密度取決于薄膜的厚度，氧氣的溶解度和氧氣的擴(kuò)散率。

設(shè)置好幾何形狀后，母線將暴露在潮濕的空氣中以開始腐蝕過程。首先，您可以使用“ 次級(jí)電流分布”界面來求解電極域中的電勢。然后，您可以使用“ 電流分布，外殼”界面來解決薄電極層中的電解質(zhì)電勢。

電解質(zhì)膜的厚度取決于鹽負(fù)荷密度和相對(duì)濕度，而電導(dǎo)率和氧溶解度取決于周圍空氣的相對(duì)濕度。考慮到對(duì)相對(duì)濕度的依賴性，您可以采用在一般“ 大氣腐蝕”模型中使用的相同表達(dá)式來獲得電解質(zhì)膜厚度，電解質(zhì)電導(dǎo)率和氧溶解度。假定氧擴(kuò)散率是恒定的。

在COMSOLMultiphysics?中評(píng)估仿真結(jié)果

結(jié)果首先是不同類型金屬的基線電勢變化，這可以幫助您確定哪些區(qū)域更容易受到腐蝕。在左下方的圖像中，您可以看到施加的電流（100 A）導(dǎo)致匯流排上的電勢下降約2.5 mV。

接下來，您可以檢查金屬中的電勢與電解質(zhì)膜電勢之間的差異（右下方顯示為電極電勢相對(duì)于相鄰參比的變化），這表明了大氣腐蝕如何影響每種金屬。請(qǐng)注意，它在銅法蘭（紅色）上為正，在鋅螺母和螺栓（淺藍(lán)色）和鋁法蘭（深藍(lán)）上為負(fù)，表明銅比其他材料更貴重，而其他材料更容易腐蝕這個(gè)模型。

母線中的電位變化（左）。金屬中的電位與電解質(zhì)膜的電位（右）。

現(xiàn)在，讓我們看一下電解質(zhì)膜中的電解質(zhì)電勢變化，其結(jié)果可以在下面看到。通過檢查覆蓋母線的薄膜中的這種變化，您可以了解陽極和陰極區(qū)域可能發(fā)生反應(yīng)的位置。

在覆蓋母線的電解質(zhì)膜中獲得的電解質(zhì)電勢。

研究陽極/金屬溶解反應(yīng)

要分析金屬溶解反應(yīng)，您可以從評(píng)估密度變化的局部電流開始。如下所示，該反應(yīng)主要在銅法蘭和鋅螺栓（在鋅表面）之間的交點(diǎn)處以及鋁表面的銅和鋁法蘭之間的交點(diǎn)附近發(fā)生。這些結(jié)果表明，正如預(yù)期的那樣，局部腐蝕區(qū)域發(fā)生在兩種異種金屬以及最少的貴金屬之間。

母線外表面上金屬溶解電極反應(yīng)的局部電流密度。

研究陰極/氧氣反應(yīng)

在陰極反應(yīng)的結(jié)果中，您可以看到氧還原發(fā)生在鋁和鋅表面上。在此，顯然氧氣的輸送限制了腐蝕過程，因?yàn)榫植垦鯕膺€原電流密度的大小接近極限電流密度。

氧還原電極在母線外表面的反應(yīng)的局部電流密度。

在研究了腐蝕過程并弄清楚每種反應(yīng)的可能發(fā)生位置之后，工程師可以在考慮各種環(huán)境條件的情況下設(shè)計(jì)出對(duì)大氣腐蝕有更好保護(hù)的母線。