基于阵列电极的非均匀结构局部腐蚀测试系统及测试方法
一、成果简介
（一）成果概述
该成果包括基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统及测试方法及其发展而来的一种多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法。
基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统通过对微电极阵列中每一个微电极的电流测量和电位测量以及对所有待测微电极的测量进行高速切换的测试方法，不仅使每一个微电极的电偶腐蚀电流和电偶腐蚀电位数据具有很高的同步性，而且不同微电极之间的电偶腐蚀电流和电位数据的同步性也大为提高，可以准确地获取电偶腐蚀过程的信息及其动态变化。硬件测试系统由采用PXI总线技术的模块化仪器组成，易于搭建，并且可以支持灵活的重新配置，集成度、可靠性高。基于图形化开发环境LabVIEW编写的软件系统，可以根据需求配置硬件系统功能，自定义后台的测试逻辑，以及前台的人机交互界面。
多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统设有经典电化学综合测试系统、微区电化学测试系统和微电极阵列测试系统三个测试系统，三个测试系统可以单独进行测试，也可以任意两个进行联用，利用微电极阵列作为桥梁和纽带，将三个测试系统耦合起来联用，能够进行经典电化学、微电极阵列和微区电化学三种测试，从大尺度、中间尺度和小尺度获取和有效关联非均匀结构局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等整体平均信息，具有一定统计特征的电偶电位、电偶电流等局部分布信息，以及局部阴极、阳极区的微区分布信息。
（二）技术特点及技术指标
微电极阵列又称丝束电极，由多个微小的金属或合金电极丝(微电极)按照一定的排列方式组合而成的电化学传感器。各个微电极既可以互相耦合起来作为一个整体的大面积金属电极使用，用于获取电极/溶液界面上与腐蚀相关的电化学平均信息，又能作为独立的微小探头分别测试各微小区域的电化学参数，获取电极/溶液界面上的电化学分布信息。由于微电极阵列技术在测试时不像其他的微区电化学测试技术那样对电极表面的平整度要求严格，因此，它特别适合用于获取具有复杂表面状态的腐蚀金属电极的电化学分布特征，例如，表面施加涂层、形成腐蚀产物或垢层、附着微生物膜的金属电极等。
然而，测试技术及测试仪器的发展相对滞后却成为微电极阵列技术广应用的一个瓶颈，有的阵列电极测试装置的关键部分——自动开关是自行订制的，在商业上无法普及；还有的丝束电极测试系统无法进行自动测试，使用很不方便。近来，有文献称采用美国NI公司的模块化仪器搭建了一套阵列电极电化学分布测试仪，并采用LabVIEW 8.5软件编写了测控程序，在材料的腐蚀不均一性研究上取得了较大进展；然而，由于受硬件配置和数字万用表接线上的限制，阵列电极的电位扫描和电流扫描需分开进行测试，且测试的时间较长，导致测量得到的电位数据和电流数据的同步性不高，给电偶腐蚀数据的解析和研究带来一定困难，而且其测试过程的自动化程度也有待提高。本成果的优势在于对每一个微电极的电流测量和电位测量以及对不同微电极的测量进行高速切换的测试方法，不仅同一个微电极的电偶腐蚀电流和电偶腐蚀电位数据具有很高的同步性，而且不同微电极之间的电偶腐蚀电流和电位数据的同步性也大为提高，可以准确地获取电偶腐蚀过程的信息及其动态变化。硬件测试系统由采用PXI总线技术的模块化仪器组成，易于搭建，并且可以支持灵活的重新配置，集成度、可靠性高。基于图形化开发环境LabVIEW编写的软件系统，可以根据需求配置硬件系统功能，自定义后台的测试逻辑，以及前台的人机交互界面。
此外，本成果针对现有非均匀结构局部腐蚀的研究过程中存在的无法定域测量或扫描电极表面不同位置电化学特征等上述问题，提供了一种多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法，该测试系统及方法将非均匀结构制备为阵列电极，能够区分不同区域的电化学特性差异，准确反映局域化腐蚀及其电化学过程。本成果提供的测试系统，设有经典电化学综合测试系统、微区电化学测试系统和微电极阵列测试系统三个测试系统，利用微电极阵列作为桥梁和纽带，将三个测试系统耦合起来联用，能够进行经典电化学、微电极阵列和微区电化学三种测试，获取和有效关联非均匀结构局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等整体平均信息，具有一定统计特征的电偶电位、电偶电流等局部分布信息，以及局部阴极、阳极区的微区分布信息。本成果提供的测试方法，采用微电极阵列精确模拟一个大面积的非均匀结构及其各组成区域，利用微电极阵列测试系统进行测试，获取非均匀结构的电偶腐蚀状态和局部腐蚀电流密度；利用微电极阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用进行测测试，获取自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等电化学性质的宏观平均信息，同时又可以获取具有一定统计特征的电偶电位及电偶电流等电化学性质的局部分布信息；利用经典电化学综合测试系统与微区电化学测试系统进行测试，获取非均匀结构被测表面的局部阻抗特性。本成果提供的测试系统及测试方法，通过中间尺度的微电极阵列，使获取的大尺度数据(即整体平均信息)和中间尺度数据(即局部分布信息)之间、中间尺度数据(即局部分布信息)和小尺度数据(即微区分布信息)之间，可以经由一定的数理统计处理建立各种电化学性质的关联，从而准确反映出非均匀结构宏观腐蚀行为与各组成部分或材料的微观电极反应间的内在联系。即通过三种不同尺度测试系统的耦合、联用和表征，可全面获取和有效关联非均匀结构局部局部腐蚀过程的整体平均信息、局部分布信息和微区分布信息。
二、技术成熟程度
已在产业中应用
三、推广合作方式
整体转让、技术许可、作价入股、合作开发、其他
四、团队简介
团队面向油气装备的腐蚀与防护问题，围绕油气工程装备的可靠性管理、金属结构和材料的损伤机制、表面处理技术、腐蚀监检测技术、电化学阻抗谱技术等重点领域和关键技术问题展开研究。依托海洋物探及勘探设备国家工程实验室、新能源物理与材料科学山东省教育厅重点实验室、山东省海洋油气装备焊接与表面处理工程实验室、青岛市焊接与表面技术工程研究中心、青岛市油气分离和转化新材料工程研究中心、青岛市能源与装备材料产学研合作联盟等研发平台，已发展成为国内油气装备腐蚀与防护领域具有重要影响的研究团队。团队先后主持/参与国家自然科学基金、国家863课题、工信部海洋装备科研项目、山东省重点研发计划、山东省自然科学基金等科研项目40余项，在研科研经费逾600万元；出版《热浸镀钢材在海洋环境中的腐蚀行为与失效机制》等专著/教材3部；授权国家发明专利30余项，发表论文200余篇（SCI收录60余篇），SCI他人引用2000余次；荣获山东省科技进步一等奖、中国科学院卢嘉锡青年人才奖、青岛市青年科技奖、青岛市青年科技创新奖，“李焰科研团队”得到青岛市“科技将才”专项计划支持；培养博士、硕士99名，多人次荣获国家奖学金。
五、专利授权及申请情况
1、国家发明专利：基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统及测试方法（授权）
2、国家发明专利：多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法（授权）
3、实用新型专利：基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统（授权）
4、软件著作权：微电极阵列腐蚀测试系统V1.0（登记）
六、受资助及获奖情况
国家自然科学基金面上项目，41676071，海底管线焊接接头电偶腐蚀过程的精确建模及跨尺度表征，2017-01至2020-12。
联系方式：0532-86983018。
