钢混结构腐蚀监测用全固态参比电极的EB-PVD制备与性能表征

论文摘要

钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性退化并造成巨大经济损失的最主要原因之一,钢筋腐蚀监测为钢混结构的腐蚀防护、安全评定与全寿命设计提供科学依据。腐蚀传感器是钢筋腐蚀监测得以实现的载体和平台,而参比电极是腐蚀监测电化学传感器的核心部件,具有优异服役性能的全固态参比电极（All Solid-State Reference Electrode, ASSRE）的研制是重大钢混结构腐蚀监测传感器系统得以实现的关键科学问题。本文应用先进薄膜制备技术-电子束物理气相沉积（Electron Beam-Physical Vapour Deposition, EB-PVD）,研制具有优异服役性能的二元合金功能芯,并对功能芯的合金薄膜进行系统的微观表征、分析;进而应用所研制的合金薄膜构建全固态参比电极,并对典型服役环境作用下的电极响应进行测试;最后,应用所研制的ASSRE集成系列腐蚀传感器,对钢混板构件的腐蚀状态进行监测。本文旨在为结构健康监测用腐蚀传感器提供核心部件,并为传感器的大规模、集成化工业生产奠定基础。本文的主要内容如下:（1）结合ASSRE功能芯制备的具体要求,确定了EB-PVD技术制备二元合金薄膜的具体工艺;并明确了导电层的制备工艺,以及制备态合金薄膜的热处理和后氧化的工艺条件;提出了二元合金薄膜的微观分析方法及ASSRE性能测试的试验方法。（2）应用SEM、XRD和极图等材料分析方法对制备态、热处理态和氧化态的二元合金薄膜分别进行了微观分析,并通过对不同态薄膜微观结构的分析确定了热处理和后氧化的具体工艺。（3）组装了ASSRE并对其电化学性能进行了测试。测试结果表明所制备的ASSRE长期电位稳定性较好,不易受外界离子干扰,具有良好的抗极化特性,温度响应系数为0.40 mV/℃0.49 mV/℃。（4）应用制备的ASSRE集成了钢混结构腐蚀监测用的五电极腐蚀传感器与无线腐蚀传感器网络,同时采用恒电位阶跃分段解析和电化学噪声小波能量谱法,对加速腐蚀的钢筋混凝土板进行了监测,验证了ASSRE及所构建的腐蚀监测系统的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 腐蚀的电化学原理
• 1.2.2 基于电化学原理的腐蚀监检测方法及研究现状
• 1.2.3 参比电极的研究与应用现状
• 1.3 课题研究的主要内容
• 第2章 材料制备及试验方法
• 2.1 引言
• 2.2 EB-PVD 技术简介
• 2.3 材料的制备工艺
• 2.3.1 ASSRE 功能芯的制备工艺流程
• 2.3.2 沉积工艺参数的选择
• 2.3.3 ASSRE 导电功能层的制备
• 2.4 制备态薄膜的热处理及后氧化处理
• 2.4.1 制备态薄膜热处理工艺
• 2.4.2 热处理态薄膜的后氧化工艺
• 2.5 成分及组织结构分析
• 2.5.1 扫描电镜分析（SEM）
• 2.5.2 X 射线衍射分析（XRD）
• 2.5.3 极图测量
• 2.6 ASSRE 的电化学性能的测试
• 2.6.1 ASSRE 的电位稳定性
• 2.6.2 不同pH 值的溶液环境对ASSRE 性能的影响
• 2.6.3 ASSRE 的抗离子干扰性
• 2.6.4 ASSRE 的抗极化特性
• 2.6.5 ASSRE 的温度响应特性
• 2.6.6 ASSRE 的阻抗特性
• 2.7 本章小结
• 第3章 电化学功能合金薄膜的微观结构分析
• 3.1 引言
• 3.2 微观结构分析试样准备
• 3.3 制备态合金薄膜微观形貌分析
• 3.3.1 制备态合金薄膜的表面形貌
• 3.3.2 合金薄膜的断面形貌分析
• 3.4 热处理对合金薄膜组织形貌的影响
• 3.4.1 热处理后的薄膜表面组织形貌
• 3.4.2 热处理后的薄膜断面特征
• 3.5 制备态及热处理态合金薄膜的成分分析
• 3.5.1 合金薄膜表面能谱
• 3.5.2 合金薄膜的断面成分分析
• 3.6 热处理态合金薄膜的后氧化处理及其微观结构分析
• 3.6.1 合金薄膜的相组成
• 3.6.2 氧化态合金薄膜的成分分析
• 3.7 合金薄膜的织构分析
• 3.7.1 直接极图
• 3.7.2 实验结果
• 3.8 本章小结
• 第4章 ASSRE 的研制及电化学性能测试
• 4.1 引言
• 4.2 ASSRE 的制备和组装
• 4.3 ASSRE 的电位稳定性
• 4.3.1 实验方案
• 4.3.2 ASSRE 的电极电势的测量方法
• 4.3.3 实验结果
• 4.4 不同pH 值的溶液环境对ASSRE 性能的影响
• 4.4.1 实验方案
• 4.4.2 实验结果
• 4.5 ASSRE 的抗离子干扰性测试
• 4.5.1 实验方案
• 4.5.2 实验结果
• 4.6 ASSRE 的温度响应特性
• 4.6.1 实验方案
• 4.6.2 实验结果
• 4.7 ASSRE 的抗极化性能测试
• 4.7.1 实验方案
• 4.7.2 极化测试方法
• 4.7.3 测试结果
• 4.8 ASSRE 的阻抗特性
• 4.8.1 实验方案
• 4.8.2 实验结果及分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 腐蚀传感器的集成与应用
• 5.1 引言
• 5.2 传感器的制作
• 5.3 无线传感器节点
• 5.3.1 MicaZ 节点配置及硬件组成
• 5.3.2 连接电路的设计
• 5.3.3 传感器网络软件体系结构
• 5.3.4 感知数据的传输算法
• 5.4 混凝土板的制备及腐蚀监测方法
• 5.4.1 混凝土板的制备及传感器的布设
• 5.4.2 传感器数据的采集
• 5.4.3 恒电位阶跃
• 5.4.4 电化学噪声
• 5.5 实验结果
• 5.5.1 五电极传感器的恒电位阶跃
• 5.5.2 五电极传感器电化学噪声分析
• 5.5.3 无线传感器电化学噪声监测结果
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢