通過仿真防止大氣腐蝕
如果您曾經生活在潮濕的地方，則可能熟悉一種稱為大氣腐蝕的現象，這種現象的常見結果是日常生銹。這種類型的金屬腐蝕經常發生，以至于建筑和制造領域的專業人員經常使用某種形式的腐蝕防護，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化預防技術，工程師可以使用COMSOLMultiphysics?軟件。
防止設計生銹
大氣腐蝕是金屬與電解質（例如水）接觸時發生的電化學現象。即使是一小層濕氣，也足以隨著時間的推移對結構造成很多破壞。漫長的冬天過后，您可能已經看到了這種效果。當雪開始融化時，您不小心離開的自行車就生銹了。導致大氣腐蝕的其他因素包括城市的空氣污染和海洋環境中的鹽分。
生銹的排氣管。
由于不容易預測或控制環境因素，因此許多工程師采用各種方法來保護其設計免受大氣腐蝕。例如，根據環境的不同，制造商可能會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）。其他形式的保護包括在設計上施加保護層，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減少腐蝕
減少大氣腐蝕的另一種策略是采用陰極保護。與電解質接觸的金屬具有發生氧化（保護）的陰極區域和發生還原（腐蝕）的陽極區域。腐蝕的金屬通常會被氧化，釋放出的電子會參與陰極反應。盡管技術各不相同，但陰極保護涉及從外部源（如電流）向金屬提供電子。陰極保護對于常見的環境很有用，例如金屬會暴露在水中。
例如，通過在鋅鍍鋅鋼中涂覆金屬涂層，鋅將成為陽極，因為它的貴金屬較少，并且每當鋼因鋅層的損壞而暴露于電解質中時，就可以保護陰極鋼免受腐蝕。 。還有其他陰極保護方法，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（例如水）中時才是可靠的。
在某些環境中，也可以使用陽極保護。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域。該電流將產生一個鈍化的薄薄膜層，從而“阻止”陽極腐蝕反應。它通常用于腐蝕性極強的環境中，例如當不銹鋼暴露于磷酸中時。
借助COMSOL Multiphysics和附加的腐蝕模塊，工程師可以評估設計中的陰極和陽極保護，電解質電勢和腐蝕反應。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，因此會在許多不同的環境中受到大氣腐蝕。
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都引起兩個反應：
金屬溶解，其中反應動力學由陽極Tafel表達式描述
氧還原，其中反應動力學由陰極Tafel表達式描述
在該示例中，后一種反應（還原）受到氧氣通過薄膜的傳輸的限制，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散率。
設置好幾何形狀后，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電勢。
電解質膜的厚度取決于鹽負荷密度和相對濕度，而電導率和氧溶解度取決于周圍空氣的相對濕度。考慮到對相對濕度的依賴性，您可以采用在一般“ 大氣腐蝕”模型中使用的相同表達式來獲得電解質膜厚度，電解質電導率和氧溶解度。假定氧擴散率是恒定的。
在COMSOLMultiphysics?中評估仿真結果
結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膜電勢之間的差異（右下方顯示為電極電勢相對于相鄰參比的變化），這表明了大氣腐蝕如何影響每種金屬。請注意，它在銅法蘭（紅色）上為正，在鋅螺母和螺栓（淺藍色）和鋁法蘭（深藍）上為負，表明銅比其他材料更貴重，而其他材料更容易腐蝕這個模型。
母線中的電位變化（左）。金屬中的電位與電解質膜的電位（右）。
現在，讓我們看一下電解質膜中的電解質電勢變化，其結果可以在下面看到。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域可能發生反應的位置。
在覆蓋母線的電解質膜中獲得的電解質電勢。
研究陽極/金屬溶解反應
要分析金屬溶解反應，您可以從評估密度變化的局部電流開始。如下所示，該反應主要在銅法蘭和鋅螺栓（在鋅表面）之間的交點處以及鋁表面的銅和鋁法蘭之間的交點附近發生。這些結果表明，正如預期的那樣，局部腐蝕區域發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的局部電流密度。
研究陰極/氧氣反應
在陰極反應的結果中，您可以看到氧還原發生在鋁和鋅表面上。在此，顯然氧氣的輸送限制了腐蝕過程，因為局部氧氣還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的局部電流密度。
在研究了腐蝕過程并弄清楚每種反應的可能發生位置之后，工程師可以在考慮各種環境條件的情況下設計出對大氣腐蝕有更好保護的母線。
