自动电阻探针感应器测量铜、青铜和铁在含短链挥发性羧酸的室内空气中腐蚀速率的应用

 

 2014年，学者Tomas Prosek等在知名期刊《Corrosion Science》上发表了名为《自动电阻探针感应器测量铜、青铜和铁在含短链挥发性羧酸的室内空气中腐蚀速率的应用》的文章。

 

文章首先指出，在室内的木质家具会挥发大量的短链羧酸，同时胶水、粘结剂、抛光剂等也会挥发羧酸，综合其他各种因素，室内住宅空气中HCOOH的浓度范围为9到33ppb,醋酸浓度为9到88ppb。而短链挥发性羧酸会加快铅制、铜制及铁制等器物的退化速度，同时也会引起石灰质材料的风化，如贝壳、化石、陶瓷等。此外，短链挥发性羧酸还会引起纸质和塑料制材料的退化（由于其酸化作用）。

对于短链挥发性羧酸的腐蚀速率与浓度关系的研究通常用活性或非活性采样技术，然而这些技术不能反应其腐蚀速率随时间发生的实时变化，因此，文章中提出了应用自动电阻探针感应器测量的方法。关于具体的电阻探针测量原理文章中有一个简短的介绍，这里不再赘述。

 

文章中所用的电阻探针感应器的基本结构示意图如下所示：

 

 

 

 

 

其中，左图为电阻探针感应器结构示意图，右图为厚度为500纳米的铜片电阻感应器图片。感应器金属部分分测量部分和参考部分，参考部分用透明胶体密封，金属片附着在非导电的基底上，已保证其机械硬度。在这片文章中，所用到的电阻探针感应器中的金属片分别为铜、青铜和铁。感应器可测量的金属片最小厚度变化为0.1 nm。本文章研究的主要目的是验证该腐蚀监测感应器实时评估空气腐蚀性变化的可行性。

 

 

 

实验部分，文章中用到了一个可以控制污染气体浓度的实验腔体，它的组成部分如下图所示：

 

 

 

 

 

实验用铜片感应器中铜片厚度分别为85纳米和500纳米，含锡8%的青铜片厚度为500纳米，铁片厚度为800纳米。数据记录器每15分钟记录一次数据。腔体中的相对湿度和温度进行了持续测量，其中温度被控制在20 ± 1 _C范围内。相对湿度的控制精度为±2%。

 

 

最终测得的腐蚀厚度随时间的变化曲线图如下所示：

 

 

 

 

 

 

 

该图为CuSn8–500 nm感应器在甲酸浓度恒定的空气中的测试曲线图，其实验温度为20℃。

 

 

 

 

该图为CuSn8–500 nm感应器在醋酸浓度恒定的空气中的测试曲线图，其实验温度为20℃。

 

 

 

 

该图为Cu–500 nm感应器在甲酸浓度恒定的空气中的测试曲线图，其实验温度为20℃。图中数据为甲酸浓度（单位为ppb）和相对湿度。

 

 

 

该图为Fe-800 nm感应器在甲酸浓度恒定的空气中的测试曲线图，其实验温度为20℃。图中数据为甲酸浓度（单位为ppb）和相对湿度。

通过对实验数据的分析和讨论，作者最后得出结论：

（1）相对湿度为80%，温度为20℃时，当甲酸或乙酸含量达到300ppb，铜或青铜的腐蚀速率明显增加；

（2）当污染物去除后，腐蚀速率在几天内下降比较缓慢，这是因为污染物在金属表面解吸比较慢；

 

 

（3）对铁来说，相对湿度为80%时，空气中甲酸含量在1000-1590ppb时，金属表面被活化。