材料基礎實驗（二） 腐蝕電化學實驗
圖二
工作电极为欲测量的试片，参考电极的功用是量测试片在目前环境下的电位，种类有饱和甘汞电极(calomel electrode)、银/氯化银电极(Silver-Silver Chloride)、铜/硫酸铜(Copper-Copper Sulfate)、标准氢电极(Standard hydrogen electrode)等，而辅助电极功用为与试片形成回路供电流导通，通常是钝态的材料，如白金或石墨。整个实验的过程中，输出的电流、电压大小，由恒电位仪(potentiostat)来控制，整个实验装置如图三。
圖三
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材料基礎實驗（二） 腐蝕電化學實驗
由恒电位法或动电位极化法纪录实验过程中，电位值或电流值之变化情形，可得一典型的极化曲线，如图四，图中曲线可分为阴极极化曲线(cathodic polorization)与阳极极化曲线(Anodic polorization)，阴极极化曲线代表整个实验过程中，氢气的还原：2H++2e－→H2，而阳极极化曲线为金属的氧化(试片)M→Mn+ +ne－【参考附录Ⅰ】。
阴极极化曲线与阳极极化曲线的交点为金属的腐蚀电位(Ecorr)，
即为金属开始发生腐蚀的电位；腐蚀电流的求得有两种方法：塔弗外插法(Tafel extrapolation)和线性极化法(Linear polarization) 又称为极化电阻法(polarization resistance)，塔弗外插法在腐蚀电位?50mv区域附近，可得一线性区域，称为塔弗直线区(Tafel region)，阴极与阳极极化曲线的塔弗直线区切线(βa、βc)外插交于横轴，即为腐蚀电流(Icorr)，可代表腐蚀速率。
然而，大部分的情况并不是如此单纯，在腐蚀电位?50mv的极化曲线区域，可能不是线性关系，所以可以使用第二种方法－线性极化法，在低电流时，电压与电流的对数有塔弗公式的线性关系，而在电流更低时，大约在腐蚀电位?10mv的范围内，外加电压与电流密度也会呈线性关系，如图五，可由下列公式来表示，由此可求得腐蚀电流(Icorr)。
Rp＝
?E?I圖四
＝
?a??c2.3Icorr(?a??c) Rp：极化电阻
βa：阳极曲线塔弗斜率 βc：阴极曲线塔弗斜率
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材料基礎實驗（二） 腐蝕電化學實驗
圖五
三、实验设备及材料
恒电位仪、五口瓶、参考电极、碳棒、单蕊铜导线、氮气、AB型混合 胶、三用电表、化学药品(NaCl、NH4OH)、碳钢片、不锈钢片、铜片
四、实验方法
1.研磨：将试片研磨至砂纸＃1200以上。
2 .工作电极的制备：在试片正面刻划上1㎝x 1㎝的区域，试片背面与单蕊铜导线接合，然后在整个试片及铜线表面涂上AB胶，只裸露出1㎝x 1㎝刻划的区域，接着使用三用电表测试铜导线与试片之间是否导电。
3.将参考电极、碳棒、工作电极依序放入五口瓶中，并调整其相对位置，装入腐蚀液，通氮气除氧30分钟。
4.在开始动电位极化测试法之前，先测量试片的开路电位(ocp)，并纪录之，然后设定扫描范围，扫描速率为1 mv/s。
5.将实验数据绘制成电压与电流的对数关系图，求出腐蚀电位(Ecorr)、腐蚀电流(Icorr)。
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材料基礎實驗（二） 腐蝕電化學實驗
五、实验结果
1纪录实验操作程序与相关技巧。 2准确纪录实验数据。
3观察并探讨实验过程中所发生的现象。
六、问题与讨论
1.何谓腐蚀？腐蚀的型态大致上有哪些？
2.下列为碳钢在0.5N H2SO4中的阴极极化数据，请画出极化曲线图并决定其极化电阻(Rp)。
Current density(μm/cm2) Cathodic overvoltage(mv)
3.比较塔弗外插法与线性极化法的优缺点。
4.在腐蚀工程上，用来测量腐蚀速率的方法有哪些？
40 100 160 240 300 1.0 2.5 4.1 6.3 9.0 七、参考文献
1.“电化学”，熊楚强、王月着，文京图书有限公司 2. “腐蚀控制”，鲜祺振着，徐氏基金会
3. “腐蚀及其防制”，柯贤文，全华科技图书有限公司 4. “防蚀技术”，刘富雄，全华科技图书有限公司
5. Denny A.Jones, “Principles And Prevention of Corrosion” 2nd ed. (Prentice-Hall, Inc.1996)
附录Ⅰ
早期对腐蚀现象的解释均是依据局部电池的观念，假设金属表面有无数的阳极和阴极，以腐蚀环境为电解液，金属本身为电子的通路，完成电流的流动，极化现象则为其阻抗。由于这些
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阳极和阴极存在于同一金属上，在巨观上必然会有同一电位。因此最近对腐蚀现象多以混合电位的观念来解释，但两者并不冲突。混合电位的观念是建立在金属虽有无数的局部小电池，两极之间虽有电位差，但因电化学反应的极化现象，造成过电压的效应而处在同一电位，亦即混合电位(mixed potential)。实际上金属是优良导体，对外只能存在一共同的电位。混合电位的原理是根据下列两个电化学反应的假设而成立：
1.任何电化学反应均可细分为两个或两个以上的部份氧化和还原反应。 2.在一个电化学反应中，电荷不曾累积在极板上。
第一条表示一个电极可以有多种氧化或还原反应同时进行。第二条则是因为电化学反应的电极不是用来当电容充电，虽然电极表面有双层电容(double layer capacitance)，但这不属于电化学反应的法拉第程序，此处不予讨论。既然电荷不曾在电极上累积，则阳极上全部的氧化反应必等于阴极上全部的还原反应，亦即阳极电流等于阴极电流。很多腐蚀现象均可借由混合电位原理解释。 腐蚀进行中的金属，其腐蚀电位(Ecorr)和腐蚀电流(Icorr)可以借由混合电位原理求得。以锌在盐酸中的腐蚀现象为例说明，锌的氧化和氢离子的还原(氢气冒泡)均发生在金属锌表面。金属锌为一良好导电体，故两极必有同一电位，即混合电位(mixed potential)或腐蚀电位(corrosion potential)。根据混合电位原理，阳极电流必和阴极电流相等，而阳极电流就是腐蚀电流，假设锌的腐蚀反应不是很快，则氧化电流或还原电流均不大，此时两极的反应均可由活性极化支配，电位与电流呈线性关系，适用塔弗公式。阳极和阴极极化曲线的交点电位相等，两者电流亦相等，因此金属的腐蚀电位和腐蚀电流(corrosion current)可以很容易的借由图解获得。图五说明锌在盐酸中腐蚀的电极动力(电位)曲线，氧化和还原反应曲线均为直线，因为假设只有活性极化发生。由混合电位原理得知阳极电流等于阴极电流，故两线的交点即为腐蚀电位和腐蚀电流的坐标。腐蚀电位(Ecorr)即阴极和阳极的共同电位，亦即混合电位。锌和氢的平衡电位及其交换电流密度均可由已知的表列查得，如果能求得塔弗斜率(可由氧化还原曲线实验测知) ，则腐蚀电位和腐蚀电流即可以由绘图求知 。可见平衡电位 、交换电流和塔弗斜率乃为决定腐蚀电位和腐蚀电流的重要因素 。
圖五 9
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