Tribocorrosion 和薄膜铝合金的磨损与腐蚀协同性测定
2018年9月11日
在这里, 我们提出了一个协议, 以测量在室温下模拟海水中的薄膜和散装铝合金的 tribocorrosion 率和磨损腐蚀协同作用。
该方法可以帮助回答摩擦腐蚀领域中关于如何量化摩擦腐蚀速率或如何测量方法和涂层的磨损腐蚀协同作用的关键问题。该技术的主要优点是可用于几微米厚的金属薄膜和涂层的摩擦腐蚀研究。演示该程序的是 Tsai 研究实验室的研究生 Jia Chen。
首先使用计算机数控机将收到的铝 3003 合金切割成几个 1.5 x 2 平方厘米的试样。使用 180 粒度的砂纸，沿任意方向机械研磨每个样品的一侧 30 秒。将样品旋转 90 度，然后用 240 粒度的砂纸研磨合金，直到光学显微镜证实，上一步的划痕完全去除。
然后用软刷和流水清洁样品表面，并旋转和刮擦样品，就像刚才使用 400、600 和 1200 格令砂纸演示的那样。最后一次研磨后，将 1 盎司 1 微米氧化铝悬浮液倒入干净的超细纤维布垫上，并沿一个方向抛光样品，直到去除划痕线。然后用 0.3 和 0.05 微米的抛光悬浮液抛光表面，直到达到镜面光洁度。
将抛光后的标本放入装有 40 毫升去离子水的烧杯中，然后将烧杯转移到超声波清洗机中 1 到 2 分钟，以去除任何表面颗粒。然后使用压缩气体将表面完全干燥。为了准备工作电极，从直径为 1 到 2 毫米的电线上剪下一块 5 厘米长的电极，并剥去两端约 1 厘米的保护塑料盖，使内部铜线暴露在空气中。
使用适当的导电粘合剂将导线的一端与散装样品的未抛光面电连接，并使用电化学阻焊漆在抛光面涂上一平方厘米的窗口，并覆盖样品的整个未抛光面，包括裸露的铜线。然后在实验前，在通风良好的通风橱中将涂漆的样品完全干燥至少 24 小时。要进行摩擦腐蚀测试，请收集准备好的铝样品、标准银氯化银电极和活性钛网，分别用作工作电极、参比电极和对电极。
将工作电极放在腐蚀池底部的中央，并用强力胶将电极固定在电解池底部，将裸露的铜线尖端置于预期的电解液表面高度以上。将参比电极放在工作电极上方约 1 厘米处，并松散地弯曲对电极以缠绕工作电极。将电极与电化学工作站连接，注意不要接触电极，然后打开与 USB 控制电化学工作站接口的电化学软件包以打开电化学工作站。
要测量阴极保护的磨损率，请将压头探头移动到距离样品表面 1 毫米的位置。在确认压头的位置靠近样品中心并且电极、探针和样品表面之间没有电接触后，将压头向前移动 200 毫米，并将 3.5 重量的氯化钠水溶液倒入腐蚀池中，直到电极、探针和样品表面浸入水中。然后将压头探头尽可能靠近样品表面，并选择 Experiment（实验）以查看直流腐蚀。
然后选择恒电位模式，并施加低于开路电位 350 毫伏的阴极电位。要在 Universal Mechanical Tester 软件中设置磨损测试，请应用 1 赫兹的划痕频率、5 毫米的划痕长度和 0.5 牛顿的法向载荷。然后单击 Run 开始摩擦腐蚀。
要在开路电位下测量摩擦腐蚀测试的摩擦腐蚀速率，请如图所示重复测试，但将施加的电位设置为开路电位。按照所演示的测试方案，可以在阴极、开路和阳极电位下测量摩擦腐蚀后铝薄膜样品的摩擦腐蚀速率和材料损失。这里总结了用于计算总材料损失的铝薄膜样品组件的摩擦腐蚀速率、磨损速率、腐蚀速率和磨损腐蚀协同作用。
在尝试此程序时，请务必记住在测试前实现样品的镜面光洁度，并确保样品和连接线之间有良好的电气连接。这种方法的可视化演示至关重要，因为准确执行程序的多个步骤对于获得可靠且可重复的摩擦腐蚀测试结果至关重要，并且仅通过文本很难掌握。在进行实验时，不要忘记使用所有适当的安全措施，包括使用工程控制和个人防护设备。
概述
本文介绍了一种用于测量铝合金在模拟海水中的摩擦腐蚀率和磨损-腐蚀协同作用的协议。该方法特别适用于在室温下研究薄膜和块状铝合金。
关键研究组成部分
科学领域
- 摩擦腐蚀
- 材料科学
- 腐蚀测试
背景
- 摩擦腐蚀涉及磨损和腐蚀过程的相互作用。
- 了解摩擦腐蚀对于提高海洋环境中的材料性能至关重要。
- 本研究聚焦于铝合金，这些合金在各种应用中广泛使用。
- 该协议旨在提供一种可靠的方法来量化摩擦腐蚀率。
研究目的
- 开发一种标准化的方法来测量摩擦腐蚀率。
- 评估铝合金的磨损-腐蚀协同作用。
- 增强对海水条件下材料退化的理解。
使用的方法
- 使用机械研磨和抛光准备铝合金样品。
- 使用电化学技术来测量腐蚀率。
- 以特定参数进行摩擦腐蚀测试以获得准确的结果。
- 数据收集和分析以确定材料损失和磨损率。
主要结果
- 成功测量铝薄膜的摩擦腐蚀率。
- 在不同条件下量化磨损和腐蚀率。
- 洞察铝合金的磨损-腐蚀协同作用。
- 展示了该方法的可靠性和可重复性。
结论
- 开发的协议对摩擦腐蚀研究有效。
- 结果有助于理解铝合金在腐蚀环境中的性能。
- 未来的研究可以在此方法基础上探索其他材料。
常见问题
Executive Industry Relevance
Assessing tribocorrosion resistance is critical for aluminum alloys used in aerospace, marine, and biomedical applications where mechanical wear and electrochemical degradation co-occur. Quantifying wear-corrosion synergy enables predictive confidence in material lifetime and supports go/no-go decisions in early-stage alloy selection. This method provides a standardized approach to evaluate tribocorrosion behavior of bulk and thin-film aluminum systems under controlled conditions.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables mechanistic de-risking by isolating the synergistic contribution of wear and corrosion to total material loss in aluminum-based systems.
- Operational Value: Provides quantitative tribocorrosion rate measurements that support hypothesis testing of alloy performance under simulated service conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates reproducible wear and corrosion rate data across cathodic, open circuit, and anodic potentials for comparative alloy screening.
- Operational Value: Delivers standardized sample preparation and electrochemical testing protocols suitable for high-throughput evaluation of coatings and thin films.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports translational continuity by linking tribocorrosion performance to real-world degradation in aerospace and marine environments.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by quantifying wear-corrosion synergy as a key degradation metric for aluminum alloys.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery workflow by enabling early assessment of aluminum alloy durability, informing lead identification, and supporting preclinical validation of material systems exposed to tribocorrosive stress.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of wear-corrosion interactions and pathway clarification of degradation mechanisms in aluminum alloys.
- Screening: Enables assay readiness through standardized surface preparation and electrochemical control for reliable tribocorrosion rate measurement.
- Analytics: Provides quantitative outputs including tribocorrosion rate, wear rate, corrosion rate, and synergy quantification to compare material performance.
- Translational Research: Connects lab-scale tribocorrosion testing to preclinical continuity by simulating service-relevant mechanical and electrochemical conditions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable capability for evaluating tribocorrosion resistance across multiple aluminum alloy formulations and coating systems.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity by quantifying the wear-corrosion synergy component of total material loss in aluminum alloys.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility through defined grinding, polishing, and electrochemical testing procedures.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing predictive confidence in alloy durability under combined mechanical and electrochemical stress.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of aluminum alloys based on quantified tribocorrosion resistance and wear-corrosion synergy.
Implementation Considerations
- Requires expertise in sample preparation, electrochemical testing, and tribocorrosion measurement techniques.
- Depends on instrumentation including potentiostat, universal mechanical tester, and corrosion cell setup.
- Necessitates cross-team standardization of surface preparation and electrical connection protocols for reliable results.
- Involves adaptation considerations when applying the method to different alloy compositions, thicknesses, or corrosive electrolytes.
- Includes practical limitations such as the need for mirror-finish surfaces and stable electrical connections to ensure data integrity.
