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2025-09-29
牺牲阳极对性能的影响
【摘要】：对于船舶的阴极保护，要求牺牲阳极每单位质量的电容量和每单位体积的电容量尽可能大，这样可以减少所安装的阳极的体积。在某些情况下，例如锌牺牲阳极在温度较高的海水中，会发生晶间腐蚀，导致阳极材料性能下降。
1.阳极电位
从腐蚀电化学原理可知，当两个电位序不同的金属接触后，在腐蚀介质中可以组成一个宏观腐蚀原电池，电极电位较负的金属成为阳极，发生阳极溶解反应，产生的电子通过电子导体流入到电极电位较正的金属上，使该金属产生阴极极化。当两者的电位差足够大时，就能产生足够大的电流，使阴极产生足够大的极化，从而达到该金属的保护电位，因而该电极电位较正的金属得到了完全的保护。
为了达到上述目的，牺牲阳极必须有足够负的电位，不仅在开路状态（牺牲阳极与被保护金属之间电子线路未接通）有足够负的开路电位（即自然腐蚀电位），而且在闭路状态（电路接通）也有足够负的闭路电位（即工作电位）。
要达到完全的阴极保护，必须将被保护的金属极化到表面上最活泼的阳极点的平衡电位。所以，牺牲阳极的电位应该比这一平衡电位还要负。这样它在保护系统中才能作为最有效的阳极而优先溶解。
牺牲阳极要有足够负的闭路电位，这样可以在工作时保持有足够大的驱动电压。驱动电压是指在保护电位时的阴极表面与有负荷时的阳极表面之间的电位差。在保护系统中，往往有电阻存在，为了使电流流通，牺牲阳极需要有足够的驱动电压，特别是在电阻率较高的介质中，如淡水或土壤中。
牺牲阳极工作时，阳极表面有一定的电流密度，因而会发生极化，使电位往正方向移动。如果阳极的极化性能很小，则电位往正方向移动较小。
由于牺牲阳极工作的时间较长，所以它的电位应该长期保持稳定。
另一个与电位有关的问题是阳极材料的钝化。碱土金属中的镁、铝和重金属中的锌会形成一系列难溶的化合物。磷酸盐是主要的难溶性化合物。此外，还有氢氧化物、碳酸盐、硫酸盐、氯氧化物等。当牺牲阳极在这些环境中释放相当大的电流时，这类化合物不会在阳极上沉积，因为被保护表面的碱化与工作阳极表面pH值的下降互相抵消了。如果上述离子的浓度太大，或者阳极在低电流密度下工作，则在某些情况下难溶化合物会沉积并覆盖在阳极表面上。覆盖层可能是疏松的，可以渗透，所以没有害处。但是，覆盖层也可能是类似于搪瓷层那样，使阳极完全并且持久地封闭起来，这样阳极被钝化而失去作用。所以，采用钝化性低的合金作为牺牲阳极是较为理想的。但是，大多数所采用的材料都有一定的可钝化性。
2.电流效率
牺牲阳极的电流效率是指实际电容量与理论电容量的百分比。
理论电容量是根据库仑定律计算的消耗单位质量牺牲阳极所产生的电量，而实际电容量是实际测得的消耗单位质量牺牲阳极所产生的电量，它们的单位都是A·h/kg。
已知，1mol金属溶解成离子状态时约产生96485·nC（96485C≈26.8A·h），n是金属离子的价数。所以，元素越轻，金属离子的价数越高，则这种金属的理论电容量就越大。
理论电容量大，单位质量的牺牲阳极就可产生较多的电量，这样就更具有经济价值，因此牺牲阳极应具有较大的电容量。
同时，也要求牺牲阳极具有较高的电流效率，即尽可能多的电量可用于实际的阴极保护中。但是并不是所有的牺牲阳极材料在工作时都能将理论电容量输送出去，其中有一部分电量将消耗于牺牲阳极自身的腐蚀上，或者消耗于某些尚未解释清楚的副反应中。例如，对于镁阳极来说，电流效率仅为55%左右，约有45%的电量无效地浪费掉了。
对于船舶的阴极保护，要求牺牲阳极每单位质量的电容量和每单位体积的电容量尽可能大，这样可以减少所安装的阳极的体积。
3.阳极消耗
牺牲阳极的消耗率是指产生单位电量所消耗的阳极质量，单位为kg/A·a。
牺牲阳极的消耗量=8760（1年的小时数）·1/牺牲阳极的实际电容量(https://www.chuimin.cn)
在阴极保护的计算和设计中，要用到牺牲阳极的消耗率。阳极消耗率越小，即实际电容量越大，消耗单位质量的阳极就可产生越多的电量，相反，产生单位电量时消耗的阳极就越少。
4.腐蚀特征
牺牲阳极表面的腐蚀特征也是评定阳极性能的一个重要指标。
良好的牺牲阳极的表面应该全面均匀溶解，表面上无不沉积难溶的腐蚀物，使阳极能够长期工作下去。
在实际情况下，由于有杂质存在，以及熔炼和浇注过程中引起的缺陷，牺牲阳极的表面不是完全均匀的溶解，有些区域溶解得快，有些区域溶解得慢，甚至不溶解。因此，阳极表面是凹凸不平的。在阳极工作过程中，凸出的微粒可能还未溶解就从表面脱落下来，这样会降低阳极的电流效率。
在某些情况下，例如锌牺牲阳极在温度较高的海水中，会发生晶间腐蚀，导致阳极材料性能下降。
阳极的溶解与合金的成分、杂质的含量以及组织有关。为了使阳极有良好的溶解状态，合金要有适宜的元素和含量，尽可能少的杂质。在制造时要遵循一定的工艺和热处理规范，以获得良好的组织。
综上所述，作为牺牲阳极材料，必须具备以下条件：
1）要有足够负的电位，且很稳定。
2）工作中阳极极化要小，溶解均匀，产物易脱落。
3）阳极必须有高的电流效率，即实际电容量和理论电容量之比要大。
4）电化当量高，即单位质量的电容量要大。
5）腐蚀产物无毒，不污染环境。
6）材料来源广泛，加工容易，价格便宜。
用纯金属作牺牲阳极都会存在某些不足，通常可以通过合金元素来调整性能，进而大大提高其性能。有时某些金属的杂质含量也会对阳极性能造成影响，阳极成分应对杂质含量加以限制。
工程中常用的牺牲阳极材料有镁及镁合金、锌及锌合金、铝及铝合金三大类，对于特殊场合下采用铁阳极和锰阳极进行电化学保护。
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