·454 北京科技大学学报 第36卷 小于镀锌钢和碳钢接地极的腐蚀速率日.相比纯 后的表面形貌进行观察，并对腐蚀产物进行元素 铜，铜包钢接地电极材料大大降低了成本，其在美、 分析. 英、德等发达国家已被广泛地应用于接地装置中，这 1.4电化学测试实验 些国家有关标准中都规定接地体、接地线均可采用 电化学测试用的试样尺寸为中14mm×10mm 铜包钢复合材料.在我国，接地装置的防腐蚀性和 (纯铜)，中14.22mm×10mm(电镀铜包钢)，选圆柱 可靠性己日益引起重视，但对于铜包钢接地电极材 外侧面的50%面积为工作面，其他面为非工作面， 料耐蚀性的认识还处在初步阶段，尤其是关于铜包 并在其中一个端面焊接铜导线，非工作面用环氧树 钢的土壤腐蚀实验并未展开进行，从而使铜包钢在 脂封装.实验前对试样进行丙酮除油、去离子清洗 我国的普及应用缺乏相关的参考依据 及吹干，装入干燥皿中备用.将电化学测试试样埋 本文选用接地电极实物材料电镀铜包钢作为研 在水质量分数为20%的土壤介质中，30d后取出进 究材料，并采用纯铜作为参照对象，通过实验室的实 行电化学测试.利用PARSTAT2273电化学测试系 土埋样实验和电化学测试实验研究了纯铜和电镀铜 统测试其极化曲线和电化学交流阻抗谱.电化学测 包钢在大港实土土壤环境中的初期腐蚀行为，为电 试采用三电极体系，以饱和甘汞电极(SCE)为参比 镀铜包钢的应用提供了参考依据 电极，铂电极为辅助电极，试样为工作电极.电化学 测试介质为水质量分数为34%的土壤介质，测试温 1 实验方法 度为室温.动电位极化曲线测试时采用0.5mV·s1 1.1实验土壤 的扫描速率，极化曲线的扫描范围为相对开路电位 实验土壤取自大港土壤环境材料腐蚀国家野外 ±500mV(纯铜)，-500~700（电镀铜包钢）：阻抗 科学观测研究站，取样深度为1m,具有较高的含水 测试使用频率响应分析程序(FRA),阻抗谱测量的 量和含盐量，主要阴离子含量（质量分数，%）为C 频率范围为100kHz~10mHz,交流正弦激励信号幅 0.78,S00.15,C00.05,HC050.19,pH8.8. 值为10mV,阻抗谱测试采样周期为1、10和30d,利 土壤经自然干燥、粉碎后过20目筛，105℃烘干6h 用ZSimp Win软件对测试结果进行等效电路拟合. 备用.实验时通过加入一定量的去离子水混合均 2实验结果与分析 匀，配制成含水量为20%的土壤介质 1.2实验材料 2.1纯铜和电镀铜包钢表面铜层的微观形貌 实验材料由国家电网提供，选用接地电极实物 图1为纯铜和电镀铜包钢表面铜层的原始微观 材料，分别为圆柱型的纯铜和电镀铜包钢，其中铜的 形貌.从图可知，纯铜的表面有较多相互平行的浅 化学成分（质量分数）均为：Cu≥99.95%，Bi、Sb、 痕迹.电镀铜包钢的表面铜层的形貌与纯铜的有明 As、Fe、Pb、S(微量元素).其中电镀铜包钢的表面 显差异，其形貌凹凸不平，类似于肠状，且凹处有少 铜层厚度为0.254mm.各实验的平行样为四个，以 量的小裂纹存在 保证实验数据的可靠性， 2.2实验室的实土埋样实验结果 1.3实土埋样实验 经过实验室的实土埋样30d后，利用失重法网 实验室实土埋样实验采用水质量分数为20% 计算得出纯铜和电镀铜包钢的平均腐蚀速率分别为 的土壤介质进行实验，试样的尺寸分别为中14mm× 2.33875和2.40383gdm-2·a-1,纯铜的平均腐蚀速 40mm(纯铜)，b14.22mm×40mm(电镀铜包钢). 率略低于电镀铜包钢的平均腐蚀速率. 实验前对试样进行丙酮除油、去离子清洗及吹干，装 图2为纯铜和电镀铜包钢实土埋样30d后的表 入干燥皿中备用，称重.试样的两端面采用环氧树 面微观形貌.从图可知，纯铜表面以小片状腐蚀为 脂进行封装.实验容器是容积1000L的烧杯，实 主，且小片状连接成大片状，表面部分区域未发生腐 验温度为室温，腐蚀采样周期为30d,实验过程中用 蚀，有少量的颗粒状腐蚀产物零散分布在纯铜的基 多层保鲜膜对烧杯进行密封以防止水分的蒸发而保 体上.比较图1(b)和图2(b)可知，经实土埋样30d 持基本稳定的含水量.实验时间到后取出试样，试 后的电镀铜包钢相比未腐蚀的原始组织出现了许多 样腐蚀产物的清除按照GB/T16545一1996国家 的裂纹，其腐蚀形态以小点蚀坑为主，密布于表面铜 标准进行，之后进行清洗、干燥及称重，计算其腐蚀 层上，表面铜层上零散分布有少量的颗粒状腐蚀产 速率.采用扫描电镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)分 物.对颗粒状腐蚀产物进行能谱分析，结果见图3 别对纯铜和电镀铜包钢表面铜层的原始形貌及腐蚀 和表1.北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 小于镀锌钢和碳钢接地极的腐蚀速率［6］． 相比纯 铜，铜包钢接地电极材料大大降低了成本，其在美、 英、德等发达国家已被广泛地应用于接地装置中，这 些国家有关标准中都规定接地体、接地线均可采用 铜包钢复合材料． 在我国，接地装置的防腐蚀性和 可靠性已日益引起重视，但对于铜包钢接地电极材 料耐蚀性的认识还处在初步阶段，尤其是关于铜包 钢的土壤腐蚀实验并未展开进行，从而使铜包钢在 我国的普及应用缺乏相关的参考依据． 本文选用接地电极实物材料电镀铜包钢作为研 究材料，并采用纯铜作为参照对象，通过实验室的实 土埋样实验和电化学测试实验研究了纯铜和电镀铜 包钢在大港实土土壤环境中的初期腐蚀行为，为电 镀铜包钢的应用提供了参考依据． 1 实验方法 1. 1 实验土壤 实验土壤取自大港土壤环境材料腐蚀国家野外 科学观测研究站，取样深度为 1 m，具有较高的含水 量和含盐量，主要阴离子含量( 质量分数，% ) 为 Cl － 0. 78，SO2 － 4 0. 15，CO2 － 3 0. 05，HCO － 3 0. 19，pH 8. 8． 土壤经自然干燥、粉碎后过 20 目筛，105 ℃ 烘干 6 h 备用． 实验时通过加入一定量的去离子水混合均 匀，配制成含水量为 20% 的土壤介质． 1. 2 实验材料 实验材料由国家电网提供，选用接地电极实物 材料，分别为圆柱型的纯铜和电镀铜包钢，其中铜的 化学成分( 质量分数) 均为: Cu≥99. 95% ，Bi、Sb、 As、Fe、Pb、S ( 微量元素) ． 其中电镀铜包钢的表面 铜层厚度为 0. 254 mm． 各实验的平行样为四个，以 保证实验数据的可靠性． 1. 3 实土埋样实验 实验室实土埋样实验采用水质量分数为 20% 的土壤介质进行实验，试样的尺寸分别为 14 mm × 40 mm ( 纯铜) ，14. 22 mm × 40 mm ( 电镀铜包钢) ． 实验前对试样进行丙酮除油、去离子清洗及吹干，装 入干燥皿中备用，称重． 试样的两端面采用环氧树 脂进行封装． 实验容器是容积 1000 mL 的烧杯，实 验温度为室温，腐蚀采样周期为 30 d，实验过程中用 多层保鲜膜对烧杯进行密封以防止水分的蒸发而保 持基本稳定的含水量． 实验时间到后取出试样，试 样腐蚀产物的清除按照 GB /T16545—1996 ［7］ 国家 标准进行，之后进行清洗、干燥及称重，计算其腐蚀 速率． 采用扫描电镜( SEM) 和能谱分析仪( EDS) 分 别对纯铜和电镀铜包钢表面铜层的原始形貌及腐蚀 后的表面形貌进行观察，并对腐蚀产物进行元素 分析． 1. 4 电化学测试实验 电化学测试用的试样尺寸为 14 mm × 10 mm ( 纯铜) ，14. 22 mm × 10 mm ( 电镀铜包钢) ，选圆柱 外侧面的 50% 面积为工作面，其他面为非工作面， 并在其中一个端面焊接铜导线，非工作面用环氧树 脂封装． 实验前对试样进行丙酮除油、去离子清洗 及吹干，装入干燥皿中备用． 将电化学测试试样埋 在水质量分数为 20% 的土壤介质中，30 d 后取出进 行电化学测试． 利用 PAＲSTAT2273 电化学测试系 统测试其极化曲线和电化学交流阻抗谱． 电化学测 试采用三电极体系，以饱和甘汞电极( SCE) 为参比 电极，铂电极为辅助电极，试样为工作电极． 电化学 测试介质为水质量分数为 34% 的土壤介质，测试温 度为室温． 动电位极化曲线测试时采用 0. 5 mV·s － 1 的扫描速率，极化曲线的扫描范围为相对开路电位 ± 500 mV ( 纯铜) ，－ 500 ～ 700 ( 电镀铜包钢) ; 阻抗 测试使用频率响应分析程序( FＲA) ，阻抗谱测量的 频率范围为 100 kHz ～ 10 mHz，交流正弦激励信号幅 值为 10 mV，阻抗谱测试采样周期为 1、10 和 30 d，利 用 ZSimpWin 软件对测试结果进行等效电路拟合． 2 实验结果与分析 2. 1 纯铜和电镀铜包钢表面铜层的微观形貌 图 1 为纯铜和电镀铜包钢表面铜层的原始微观 形貌． 从图可知，纯铜的表面有较多相互平行的浅 痕迹． 电镀铜包钢的表面铜层的形貌与纯铜的有明 显差异，其形貌凹凸不平，类似于肠状，且凹处有少 量的小裂纹存在． 2. 2 实验室的实土埋样实验结果 经过实验室的实土埋样 30 d 后，利用失重法［8］ 计算得出纯铜和电镀铜包钢的平均腐蚀速率分别为 2. 33875 和 2. 40383 g·dm － 2 ·a － 1 ，纯铜的平均腐蚀速 率略低于电镀铜包钢的平均腐蚀速率． 图2 为纯铜和电镀铜包钢实土埋样 30 d 后的表 面微观形貌． 从图可知，纯铜表面以小片状腐蚀为 主，且小片状连接成大片状，表面部分区域未发生腐 蚀，有少量的颗粒状腐蚀产物零散分布在纯铜的基 体上． 比较图 1( b) 和图 2( b) 可知，经实土埋样 30 d 后的电镀铜包钢相比未腐蚀的原始组织出现了许多 的裂纹，其腐蚀形态以小点蚀坑为主，密布于表面铜 层上，表面铜层上零散分布有少量的颗粒状腐蚀产 物． 对颗粒状腐蚀产物进行能谱分析，结果见图 3 和表 1． ·454·