Спосіб захисту від корозії нанорозмірних металевих об’єктів

Реферат: Винахід стосується захисту від корозії у розчинах електролітів нанорозмірних металевих об′єктів. Спосіб полягає у впливі на агресивне середовище, в якому знаходяться ці об'єкти, змінним електромагнітним полем з частотою у діапазоні 200-20000 Гц та напруженістю його електричної складової у межах 0,03-0,3 В/см. Винахід забезпечує зниження швидкості корозії нанооб'єктів з розміром меншим 50 нм більше, ніж у 4 рази. UA 105070 C2 (12) UA 105070 C2 UA 105070 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області захисту від корозії у розчинах електролітів нанорозмірних металевих об'єктів (гранул, волокон, плівок та ін.), та може бути використаний для збільшення строку їх роботи. Крім того, даний винахід може бути застосований для захисту від корозії тонкоплівкових металевих об'єктів макроскопічних розмірів (провідників в електронній апаратурі, металевих дзеркал та теплових екранів, багатошарових структур). Відомий спосіб захисту від корозії металевих предметів шляхом утворення на їх поверхні намагніченого покриття [Patent US № 3709730, B44d 1/02, Magnetic coating of iron surface]. Тут магнітне поле покриття знижує швидкість корозії шляхом зміни кінетики даного процесу. Недоліком даного способу є неможливість утворення рівномірного покриття на нанорозмірному об'єкті (< 100 нм) складної конфігурації. Крім того, товщина покриття на об'єкті з розміром, меншим 100 нм, повинна складати малу частку від його розмірів, тобто не перевищувати 1-10 нм. Але відомо, що зі зменшенням товщини феромагнітних шарів, їх намагніченість зменшується, прагнучи до нуля. Тому використання для захисту нанорозмірних об'єктів ще більш тонких намагнічених покриттів неможливо. Застосування ж намагнічених покриттів більшої товщини недоцільно, оскільки воно змінить як первинну конфігурацію об'єкта, так і його властивості. Відомий також спосіб зниження швидкості корозії металевих виробів шляхом польової обробки потоку корозійного середовища (Патент Российской Федерации RU № 2293707, C02F 1/48, Способ обработки потока коррозионной среды). В даному способі захисний ефект досягається при одночасному впливі на електроліт магнітного та електричного полів, що призводить до переміщення іонів-деполяризаторів у напрямку від поверхні, що кородує. Помітне пониження швидкості корозії у 3 рази досягається при використанні високих значень індукції постійного магнітного поля (≥0,1Тл) та при великих швидкостях потоку електроліту (≥ 0,5 м/сек). Недоліком даного способу захисту від корозії також є неможливість його застосування для застереження нанорозмірних об'єктів. Високошвидкісний потік буде уносити дані об'єкти із області їх функціонування. У випадку ж слабкого руху або нерухливого стану електроліту, а також його малих об'ємів (краплі, конденсовані плівки), віддалення іонів від кородуючої поверхні не відбудеться. Крім того, сильне магнітне поле може викликати притягання об'єктів, що виготовлені з таких перехідних металів, як Fe, Co, Ni, лантаноїди, до полюсів магніту, з наступним припиненням функціонування. Найбільш близьким по суті до заявленого винаходу є спосіб впливу на корозію металевих плівок нанорозмірної товщини за допомогою слабких постійних електричного та магнітного полів [А. Ф. Андреева, А. М. Касумов, В. М. Караваева, Е. А. Потипака, Коррозия тонких пленок стали в кислотной среде под действием магнитного поля, Нанострукурное материаловедение, 2010, №4, с. 54-60]. Прикладення слабких постійних електричного (Е ≈ 0,01 В/см) та магнітного (В ≤ 30 мТл) полів до електролітів, що вміщують нанооб'єкти, призводить до появи магнітогідродинамічного потоку, що виникає під дією сили Лоренца. Даний потік призводить до переміщення іонів від кородуючої поверхні та пониженню швидкості корозії нанооб'єктів у 3 рази. Недоліком даного способу є слабкий захист від корозії, що знижує швидкість цього процесу всього у 3 рази. При деяких напрямленнях полів та, відповідно магнітогідродинамічного потоку, відводу зарядів від кородуючої поверхні може і не відбуватися, при цьому швидкість корозії збільшується. В основу винаходу поставлена задача подальшого пониження швидкості корозії нанооб'єктів без використання покриттів, що змінюють їх властивості, та необхідності руху електроліту. Поставлена задача розв'язана шляхом прикладення до електроліту, в якому знаходяться нанооб'єкти, змінного електромагнітного поля. Таке поле викликає зворотно-поступальне коливання всіх зарядів, що беруть участь у корозії: електронів у металі та іонів в електроліті. Коливальний рух перешкоджає переміщенню зарядів на анодних та катодних ділянках. А таке переміщення необхідне для проходження електрохімічної корозії. Тому вплив змінного поля призводить до зниження швидкості корозійного процесу. Суть винаходу полягає у впливі на агресивне середовище, в якому містяться дані об'єкти, електромагнітного поля, який відрізняється тим, що дане поле є перемінним та має частоту у діапазоні (200-20000) Гц та напруженість електричної складової у межах (0,03-0,3) В/см. Швидкість корозії понижується зі зростанням частоти електромагнітного поля оскільки при цьому зменшується час пробігу зарядів, тобто вірогідність здійснення актів корозійного процесу на анодних та катодних ділянках. В той же час, амплітуда коливань зарядів повинна слабко залежати від частоти. Дійсно, з теорії скін-ефекту відомо, що зі зростанням частоти поля відбувається зменшення напруженості 1 UA 105070 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 електричного та магнітного полів в глибині провідника, але на його поверхні амплітуда векторів   напруженості E та H залишається незмінною [В.Г. Левич, Курс теоретической физики, Т. 1. М., Наука, 1969. - 910 с.]. Тому зі збільшенням частоти поля амплітуда коливання зарядів, що беруть участь у корозії металевої поверхні нанооб'єктів, не повинна знижуватись. Таке збереження інтенсивності коливального руху зарядів зі зростанням частоти поля також повинно перешкоджати їх переміщенню по анодних та катодних ділянках, тобто знижувати швидкість корозії.   Відмічена вище незалежність амплітуди коливання векторів E та H , та, відповідно зарядів на поверхні, від частоти поля повинна мати місце при будь-якому розмірі провідника. Тобто запропонований метод пониження швидкості корозії шляхом впливу змінного поля придатний також для нанорозмірних об'єктів. Змінне поле впливає на предмети будь-якої конфігурації, тому захисний антикорозійний ефект повинен проявлятись при будь-якій формі нанооб'єктів або тонкоплівкових провідників. Оскільки перемінне поле впливає на будь-які заряди, що беруть участь в електрохімічній корозії, то зниження швидкості корозії з ростом його частоти повинно спостерігатися як у кислотних, так і в сольових та лужних середовищах. Так як для виникнення захисного ефекту при впливі перемінного поля не потрібно відводу реагуючих зарядів, а необхідний тільки простір для їх коливань, що має розміри в декілька ангстрем, то зменшення швидкості корозії буде відбуватися як у електроліті, що має більший об'єм, так і у краплях та конденсованих плівках. Приклад 1. На фігурі 1 наведена залежність швидкості корозії тонких плівок низьковуглецевої сталі ВСт3сп у водному розчині соляної кислоти НС1 від частоти прикладеного електромагнітного поля. Плівки нанесені магнетронним розпиленням в аргоні мішені аналогічного складу. Плівки мали товщину 60 нм, острівкову морфологію та полікристалеву структуру. Таким чином, вони являли собою конгломерат із нанорозмірних часток, розташованих на полірованій скляній підкладці, придатних для демонстрації ефективності способу захисту від корозії, що пропонується. Швидкість корозії визначалась за збільшенням електроопору плівок у процесі зменшення їх товщини. Процес корозії починався з моменту нанесення на плівку калібрувальною піпеткою 3 краплі розчину НС1 об'ємом 0,01мл. Концентрація розчину дорівнювала 3,25-10' моль/л. Температура розчину 20 °C. Корозія плівок проводилась в умовах підведення до них електромагнітного поля різної частоти. Напруженість електричної складової поля для всіх частот складала Е=0,3 В/см. Тривалість експозиції складала 20 хвилин. Як бачимо з даної фігури, вплив поля з частотою 20000 Гц призводить до зменшення швидкості корозії у 10 раз у порівнянні зі зразками, де поле не прикладене (f=0, E=0). При більш високих частотах швидкість корозії дещо збільшується, що може бути викликане, наприклад, слабким збільшенням температури розчинну. Приклад 2 На фігурі 2 показана залежність швидкості корозії нанорозмірних плівок сталі у розчині НС1 від напруженості електричної складової перемінного поля. Умови експерименту (склад та товщина плівок, об'єм та концентрація розчину, температура середовища) залишаються тими самими. Частота поля дорівнює 20 кГц. Як бачимо з фігури 2, прикладення змінного поля навіть з невеликою напруженістю електричної складової 0,03 В/см, викликає зниження швидкості корозії в 220 раз у порівнянні зі зразками, до яких поле не прикладалося. Подальше підвищення напруженості викликає зростання швидкості корозії, що може бути також викликане деяким підвищенням температури розчину. Приклад 3 На фігурі 3 дана залежність швидкості корозії плівок сталі від їх товщини у випадку відсутності змінного поля (1) та при його впливі (2). Умови експерименту (склад плівок, об'єм та концентрація розчину, температура середовища) залишаються тими самими. Частота змінного поля дорівнює 20 кГц, напруженість електричної складової - 0,3 В/см. З даної фігури випливає, що зі зменшенням товщини плівок швидкість корозії зростає у випадку відсутності впливу поля. Це пов'язане з підсиленням впливу поверхні часточок, що супроводжує зменшення їх розміру, та призводить до збільшення вільної енергії даних наноутворень. [В. А. Киреев, Краткий курс физической химии, М., Госхимиздат, 1963, 648с.]. 2 UA 105070 C2 5 10 З фігури 3 також випливає, що вплив перемінного поля викликає пониження швидкості корозії для наночасточок довільного розміру. Зі зменшенням товщини плівок та розміру часточок захисний ефект, що викликаний полем, зростає. У плівках товщиною 10 нм спостерігається зменшення швидкості корозії в 48 раз. З наведених прикладів бачимо, що вплив перемінного електромагнітного поля є ефективним методом захисту нанорозмірних металевих об'єктів від корозії. Найбільше зниження швидкості корозії досягається при частоті перемінного поля в області (200-20000)Гц та напруженості його електричної складової (0,03-0,3)В/см. Спосіб захисту придатний для нанооб'єктів розміром меншим 100 нм. Винахід також може бути використаний для захисту від корозії макроскопічних плівкових об'єктів (провідників в електронній апаратурі, металевих дзеркал та теплових екранів, багатошарових структур). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Спосіб захисту від корозії нанорозмірних об'єктів, що включає вплив на агресивне середовище, в якому містяться дані об'єкти, електромагнітного поля, який відрізняється тим, що дане поле є перемінним та має частоту у діапазоні 200-20000 Гц, та напруженість електричної складової у межах 0,03-0,3 В/см. 3 UA 105070 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4