金属材料表面性能的电化学阻抗谱综合分析方法技术

本发明专利技术涉及一种金属材料表面性能的电化学阻抗谱综合分析方法，首先采用ｍＣＲＲ传输线模型拟合在满足因果性、稳定性和线性条件下测量的电化学阻抗谱，其中ｍ为正整数，Ｃ和Ｒ分别表示纯电容和纯电阻；然后根据公式ｆ↑［＊］＝１／（２πＣ↓［ｉ］Ｒ↓［ｉ］）分别求出各Ｃ↓［ｉ］和Ｒ↓［ｉ］并联分支的特征频率ｆ↑［＊］，并作出在不同的系列研究条件下离散参数Ｃ↓［ｉ］和Ｒ↓［ｉ］随特征频率变化分布的对数图以及Ｒ↓［ｏ］随研究条件变化的图；最后，根据图的特征确定金属材料表面性能的差异。本发明专利技术利用了电化学阻抗谱的灵敏性和信息的丰富性，以及ｍＣＲＲ传输线模型的客观性、通用性等，从而客观、灵敏地鉴别了不同条件下金属材料表面性质之间的差异。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种分析在不同因素的影响下，从而鉴别金属样品表面状态的差异，这些不同影响因素包括预处理条件、腐蚀电位、电介质浓度和组成、体系温度和样品浸泡时间，而样品性能的差异包括清洁度、润湿性、腐蚀活性、表面氧化膜或者预处理膜的介电性质、膜的完整与致密性。
技术介绍
在许多情况下需要方便、快捷的方法综合评价金属材料的表面性能，例如化成箔生产流程的各个环节，涂层、焊接或者电镀行业中金属材料表面预处理效果与质量的监测与控制，电池行业中导电极板的表面性能及其与活性材料之间的粘结力，硅烷预处理金属最佳工艺条件的筛选和评价等，以及其它与金属材料有关的研究与开发领域。目前并不缺少评价金属材料表面性能的方法。有关的宏观方法有，评价表面润湿性可以采用润湿角，评价腐蚀活性可以采用极化曲线和表面观察等。相关的微观方法有微电极动态扫描测量表面电位的分布，椭圆光度法(Ellipsometry)测量表面膜厚度，扫描电镜、俄歇电子能谱(Auger electronspectroscopy，AES)和原子力显微镜等可以表征微观形貌及其变化，利用X射线光电子谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)、傅立叶红外变换和反射吸收-红外光谱等方法表征膜的化学结构及其变化，等等。上述诸多方法虽然能从不同角度提供金属材料表面性能的信息，但也存在一些无法弥补的缺陷，一是某些大型仪器价格高难以普及；二是某些检测方法样品的制备过程复杂、费时、具有破坏性，不便于现场连续监测表面性能随时间的变化；三是一种方法通常仅能表征一种性能，不能进行多性能的综合评价；四是金属材料表面性能中最重要的是电化学性质，故电化学表征方法是最基本的表征方法，不能用其它方法取代；五是在电化学方法中，极化曲线等对样品具有破坏性，且扰动信号形式单一，难以分离扩散的影响，因而能提供的信息有限，并且不适合评价金属表面膜、润湿性等。电化学阻抗谱可以在腐蚀体系中连续监测金属材料表面状态的变化，测量条件简单、易得，无破坏性，而且能同时评价润湿性(通过界面电容)、腐蚀阻力等宏观表面的基本性能，给出有关变化机理的丰富信息，在表征金属材料表面性能中有重要的潜在优势，是一个很有前景的表征材料表面性能的重要手段，受到国内外研究者诸多关注。目前最常用的谱图解析方法是采用固定结构的等效电路模型，并且公认可以用等效电阻元件表征金属材料表面的电化学反应阻力，用等效电容元件表征其表面双电层或者表面膜厚度、空隙率、介电常数等有关性质并且，可以采用平板电容器的定义描述此等效电容C=ϵ0ϵrAd]]>，其中ε0是真空介电常数，εr，是相对介电常数，A为电极面积，d为平板电容模型极板之间的距离。尽管可以用等效元件表征金属材料表面性能，然而确定这些等效元件的方法并非显而易见，而且一条谱线可以对应多个等效电路模型，显然采用不同的等效电路模型得到不同的分析结果。另外，表面的润湿性、电化学活性、腐蚀产物等多种因素对阻抗分量的影响不同，导致阻抗谱形貌多变，而建立固定结构等效电路模型的依据之一是阻抗谱形貌，即根据具体阻抗谱的特征，结合体系的物理意义确定合适的等效电路结构和参数数目，以期在物理意义比较明确的同时能有较满意的拟合结果。在此方法中，赋予每个等效元件一定的物理意义，并根据元件参数的变化评价体系性能及其变化规律。由于对不同特征的阻抗谱需要用不同结构的等效电路模型拟合，因而不能很好地解释与电路结构突变对应的体系变化中间过程。另外，即便根据阻抗谱的特征改变等效电路结构，也有相当一部分阻抗谱难以拟合。尤其需要指出的是目前在等效电路模型中广泛采用的CPE元件，虽然能够明显提高拟合精度，但它毕竟是一个表象的元件，是一个为吻合试验曲线而建立的数学式子，它的两个参数Y0和n意义比较含糊，至今仍在探讨之中，它们即非纯电容性，也非纯电阻性，其变化直接影响等效电路模型中其它电阻和电容元件的数值，在一定程度上混淆和掩盖了它们变化的根本原因和规律性，导致所得参数是多种影响因素共同作用的结果，并非能够如分析者所希望的客观、准确反映被研究体系的实际情况。由于不能从根本上找到并分离各种不同因素对阻抗谱形貌的影响，故建立的模型各式各样，直接影响了分析结果的客观性、规律性与可比性，以至在相当多的情况下解析参数与体系性能之间的关系并不明确，造成不同时间、不同体系的解析参数彼此交叉变化，常常需要10倍的差别才能进行比较，所得结果多为定性，甚至与体系性能矛盾。以上固定结构等效电路模型的弊病在相当大的程度上掩盖了电化学阻抗谱信息丰富、灵敏的优点，严重阻碍了将电化学阻抗谱作为一种独立的分析技术应用于科学研究和工业生产实际。鉴于以上原因，目前在化成箔、电池、电镀、金属预处理等与金属材料有关的工业生产中，缺少在每个工艺环节现场跟踪检测金属材料表面性能变化的技术，通常仅能根据一定工序后的成品或者半成品的质量推测工艺条件的合适与否，对一些关键的生产环节缺乏合适的调整依据，具有相当大的盲目性。而在有关产品的研究开发过程中，由于对金属表面润湿性和电化学性能的变化缺乏合适、客观、灵敏的评价手段提供可靠的详细信息，也阻碍了研究开发工作的效率和明确性。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术建立了一种表征金，本专利技术利用了电化学阻抗谱的灵敏性和信息的丰富性，以及mCRR传输线模型拟合、分析阻抗谱的客观性、通用性，从而能够客观、一致、灵敏地综合表征金属材料表面性质之间的差异，并用于指导生产实际；还可以通过改变测量条件，放大不同样品的电化学阻抗谱之间的差异，提高分析结果的灵敏度。本专利技术解决技术问题所采用的技术方案是一种，首先采用mCRR传输线模型拟合在满足因果性、稳定性和线性条件下测量的电化学阻抗谱，其中m为正整数，C和R分别表示纯电容和纯电阻；然后根据公式f*＝1/(2πCiRi)分别求出各Ci和Ri并联分支的特征频率f*，并作出在不同的系列研究条件下离散参数Ci和Ri随特征频率变化分布的对数图以及Ro随研究条件变化的图；最后，根据图的特征确定金属材料表面性能的差异。对于不同条件下的金属材料样品的阻抗谱可以根据拟合方差和元件的相对误差确定分别确定其传输线模型的最佳m值。对于不同样品、不同时间测量的阻抗谱，在满足拟合方差和元件相对误差小的情况下，最佳m值可以不同。在确定最佳m值的mCRR模型中的元件Ro的数值与各金属材料样品表面腐蚀阻力的大小一致。作最佳m值条件下mCRR传输线模型的离散参数Ci和Ri随特征频率fi*(f*＝1/(2πCiRi))变化的对数曲线，根据对数曲线及其变化特征表征金属表面状态的特征。对于一些特定体系，当确定了最佳m值后，比较m、m+1、m-1所对应的不同长度的传输线模型的离散参数Ci和Ri随特征频率(fi*变化的对数曲线，可以发现腐蚀体系具有不随传输线模型的长度而变化的若干特征离散值。在电池体系中这种特征离散值的个数很少，甚至没有，反映了体系内在特征的差异。所述的对数曲线的变化特征包括(1)离散元件值随特征频率的分布值随时间的变化，(2)离散元件值随特征频率变化的速率，(3)离散元件随特征频率分布的极值的变化规律，(4)离散元件极值对应的特征频率的变化规律。通过相配合的计算机软本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属材料表面性能的电化学阻抗谱综合分析方法，其特征是：首先采用ｍＣＲＲ传输线模型拟合在满足因果性、稳定性和线性条件下测量的电化学阻抗谱，其中ｍ为正整数，Ｃ和Ｒ分别表示纯电容和纯电阻；然后根据公式ｆ↑［＊］＝１／（２πＣ↓［ｉ］Ｒ↓［ｉ］）分别求出各Ｃ↓［ｉ］和Ｒ↓［ｉ］并联分支的特征频率ｆ↑［＊］，并作出在不同的系列研究条件下离散参数Ｃ↓［ｉ］和Ｒ↓［ｉ］随特征频率变化分布的对数图以及Ｒ↓［ｏ］随研究条件变化的图；最后，根据图的特征确定金属材料表面性能的差异。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙秋霞，
申请(专利权)人：韶关学院，
类型：发明
国别省市：44[中国|广东]