如果您曾经住在一个潮湿的区域，那么您可能会熟悉一种称为大气腐蚀的现象，这是每天生锈的常见结果。这种类型的金属腐蚀经常发生，以至于在建筑和制造业中的专业人员会定期使用某种形式的腐蚀保护，即使它只是将涂层涂在金属上。为了有效地分析腐蚀过程并优化预防技术，工程师可以使用COMSOLMultiphysics®软件。
防止设计变得生锈
大气腐蚀是一种电化学现象，当金属与电解质接触（例如水）时发生。甚至是moist随着时间的推移，足以造成很多结构性损害。经过一个漫长的冬天，您可能已经看到了这种效果 - 当雪开始融化时，您不小心留下的自行车出现了生锈的迹象。导致大气腐蚀的其他因素包括城市的空气污染和海洋环境中的盐。
生锈的排气管。
由于环境因素不容易预测或控制，因此许多工程师采用方法来保护其设计免受大气腐蚀。例如，根据环境，制造商可以选择使用更自然耐腐蚀的金属（例如铜和铝）（例如钢和铁）。其他形式的保护包括在设计上施加保护涂层，例如较不高贵的金属（例如，锌 - 元素化的钢，镀锡铜）；画;或抗腐蚀材料。
通过阴极和阳极保护减少腐蚀
减少大气腐蚀的另一个策略是采用阴极保护。与电解质接触的金属具有阴极区域，发生氧化（保护）和减少（腐蚀）的阳极区域。腐蚀的金属通常被氧化，并且释放的电子参与阴极反应。尽管技术各不相同，但阴极保护涉及从外部来源（例如电流）向金属提供电子。阴极保护对于常见环境很有用，例如金属将暴露于水中。
例如，通过施加金属涂层，例如在锌 - 元瓦硅化钢中，锌将成为阳极，因为它不那么高尚，并且每当钢通过锌层中的损伤暴露于电解质时，保护阴极钢免受腐蚀。还有其他的阴极保护方法，例如使用牺牲阳极或印象深刻的电流，但是只有当物体浸入电解质中（例如水）时，这些方法才可靠。
在某些环境中，也可以使用阳极保护。该方法涉及通过施加受控的小阳极电流将金属偏向被动区域。该电流将产生一个薄而钝化的膜层，该层“窒息”阳极腐蚀反应。它通常用于极度腐蚀性的环境中，例如不锈钢暴露于磷酸时。
使用comsol多物理学和附加组件腐蚀模块工程师可以评估设计中的阴极和阳极保护，电解质电位和腐蚀反应。例如，让我们看看一个模型堡垒这是一个用于在建筑物，车辆等上分发电源的酒吧，因此在许多不同的环境中受到大气腐蚀的影响。
模拟母线的大气腐蚀
这在这个大气腐蚀示例中的母线由几种材料和部分组成：
- 铜法兰
- 铝法兰
- 锌螺母和螺栓
母线几何形状由铜法兰，铝制法兰和锌螺母和螺栓组成。
这些表面中的每一个都有两个反应：
- 金属溶解，其中反应动力学通过阳极Tafel表达描述
- 氧还原，其中反应动力学通过阴极tafel表达描述
在此示例中，后一种反应（还原）受膜通过膜的氧气传输的限制，限制电流密度取决于膜的厚度，氧溶解度和氧扩散率。
一旦建立几何形状，母线将暴露于加湿的空气中以开始腐蚀过程。首先，您可以使用次级电流分布界面以求解电极域中的电势。然后，您可以使用当前分布，外壳界面以求解薄电极层中的电解质电势。
电解质膜的厚度取决于盐负荷密度和相对湿度，而电导率和氧溶解度取决于周围空气的相对湿度。为了说明对相对湿度的依赖性，您可以采用一般中使用的相同表达式大气腐蚀模型获得电解质膜的厚度，电解质电导率和氧溶解度。假定氧扩散率是恒定的。
评估comsolMultiphysics®中的仿真结果
结果首先是不同类型的金属的基线电势变化，这可以帮助您确定哪些区域更容易腐蚀。在下面的左图中，您可以看到施加的电流（100 A）在座舱上导致约2.5 mV的潜在降低。
接下来，您可以检查金属中的电势与电解质膜电位之间的差异（如下所示，如电极电势与相邻参考的变化所示），这显示了大气腐蚀如何影响每种类型的金属。Notice how it’s positive over the copper flange (red) and negative over the zinc nut and bolt (light blue) and aluminum flange (dark blue), indicating that the copper is more noble than the other materials, which are more likely to corrode in this model.
母线的电势变化（左）。金属与电解质膜电位（右）中的电势。
现在，让我们看一下电解质膜中的电解质电位变化，其结果可以在下面看到。通过检查覆盖母线的薄膜中的这种变化，您可以了解阳极和阴极区域可能发生的反应。
在覆盖母线的电解质膜中获得的电解质电势。
研究阳极/金属溶解反应
为了分析金属溶解反应，您可以从评估密度变化的局部电流开始。如下所示，该反应主要发生在铜法兰和锌螺栓（在锌表面）之间以及铝表面的铜和铝制法兰之间的交点周围。这些结果表明，正如预期的那样，局部腐蚀的区域发生在两种不同的金属和最低金属之间。
金属溶解电极反应在母线的外表面上的局部电流密度。
研究阴极/氧反应
在阴极反应的结果中，您可以看到还原氧发生在铝和锌表面上。在这里，很明显，氧的运输正在限制腐蚀过程，因为局部还原电流密度的大小接近限制电流密度。
氧气还原电极反应在母线的外表面上的局部电流密度。
在研究了腐蚀过程并弄清了可能发生每种反应的何处之后，工程师可以在考虑到各种环境条件的情况下设计有更好保护大气腐蚀的母线。
下一步
要亲自检查大气腐蚀过程，您可以单击下面的按钮以尝试此处介绍的母线模型。这样做会将您带到应用程序库，该应用程序库有此示例和相关MPH文件的文档。
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