水基納米流體對(duì)金屬腐蝕及腐蝕抑制機(jī)理的研究結(jié)題摘要

納米流體是一種新型傳熱介質(zhì)，因其具有顯著節(jié)能效益而成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)。水基納米流體是非常有前景的冷卻介質(zhì)，在國(guó)外已進(jìn)入小范圍應(yīng)用階段。過(guò)去對(duì)納米流體的研究多集中在制備與傳熱性能研究方面，有關(guān)納米流體對(duì)熱交換金屬腐蝕行為的研究較少。本項(xiàng)目通過(guò)電化學(xué)測(cè)試、表面分析和溶液分析等技術(shù)重點(diǎn)研究了Al2O3、TiO2、SiO2、碳納米流體中黃銅腐蝕行為和腐蝕機(jī)理、納米顆粒對(duì)緩蝕劑性能的影響；研究了不同納米顆粒對(duì)水中碳酸鈣垢形成和抑制行為的影響及機(jī)制，以及納米顆粒對(duì)化學(xué)阻垢劑性能影響。 模擬冷卻水（SCW）中Al2O3納米顆粒和表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）對(duì)黃銅腐蝕行為的研究表明，黃銅在SCW-Al2O3納米流體中發(fā)生較嚴(yán)重的脫鋅腐蝕，主要腐蝕產(chǎn)物為Zn5(OH)6(CO3)2，Al2O3納米顆粒同時(shí)促進(jìn)了黃銅的陽(yáng)極和陰極過(guò)程，這與納米顆粒促進(jìn)介質(zhì)中氧和腐蝕產(chǎn)物的傳質(zhì)過(guò)程有關(guān)。模擬水中SDBS可在黃銅表面吸附成膜，對(duì)黃銅具有一定保護(hù)作用；在SCW-SDBS-Al2O3納米流體中SDBS在黃銅表面的吸附作用更強(qiáng)，這與納米顆粒提高了SDBS的臨界膠束濃度、以及正電性的Al2O3納米顆粒與SDBS陰離子之間存在靜電吸附有關(guān)。Al2O3納米顆粒降低了BTA對(duì)黃銅的緩蝕性能。 黃銅在TiO2納米流體中的腐蝕行為研究表明，TiO2納米顆粒促進(jìn)了黃銅的腐蝕，降低了SDBS對(duì)黃銅的緩蝕作用；在SCW和SCW-TiO2納米流體中黃銅表面由Cu2O內(nèi)層和Zn5(CO3)2(OH)6外層組成；在SCW-SDBS-TiO2納米流體中，黃銅表面主要存在Cu2O層，未見(jiàn)明顯的SDBS吸附膜和鋅腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物主要以離子形式進(jìn)入溶液。TiO2納米顆粒抑制了SDBS在黃銅表面的吸附，可能與帶負(fù)電的TiO2納米顆粒與SDBS陰離子在黃銅表面的競(jìng)爭(zhēng)吸附有關(guān)。 研究了Al2O3納米流體中阻垢劑PBTCA（2-膦酰丁烷-1,2,4-三羧酸）對(duì)CaCO3的阻垢性能及阻垢機(jī)理，結(jié)果顯示，PBTCA具有較好的溶液阻垢和表面阻垢性能；在Al2O3納米流體中，PBTCA的溶液阻垢性能下降。Al2O3納米顆粒顯著縮短了含PBTCA的成垢溶液中CaCO3的成核誘導(dǎo)期，減弱了PBTCA對(duì)成垢離子的絡(luò)合增溶作用，使PBTCA的溶液阻垢性能下降；但Al2O3納米顆粒促進(jìn)了文石碳酸鈣的生成，具有一定的表面阻垢性能。

納米流體因其顯著的節(jié)能效益而成為近年來(lái)研究熱點(diǎn)。水基納米流體是一種很有前景的冷卻劑，未來(lái)替代傳統(tǒng)冷卻水應(yīng)用于各類熱交換系統(tǒng)的可能性很大。初步研究發(fā)現(xiàn)，高活性納米顆粒的加入將引起金屬/水界面及冷卻水物理化學(xué)性質(zhì)變化，從而引起金屬腐蝕與控制機(jī)制的變化。因而產(chǎn)生一種新的腐蝕體系--納米流體中金屬的腐蝕。為了深入認(rèn)識(shí)這種腐蝕體系，本項(xiàng)目就納米流體對(duì)金屬的腐蝕行為、規(guī)律及腐蝕抑制機(jī)理展開(kāi)研究。 本項(xiàng)目以熱交換冷卻水系統(tǒng)常用金屬材料為研究對(duì)象，采用電化學(xué)測(cè)量方法并結(jié)合溶液分析、結(jié)構(gòu)分析和表面分析技術(shù)研究金屬/納米流體界面特性、水基納米流體物理化學(xué)性質(zhì)、金屬-納米流體體系中金屬表面狀態(tài)及金屬電化學(xué)腐蝕過(guò)程和規(guī)律；通過(guò)納米顆粒的吸附特性、表面活性及其與緩蝕阻垢劑的相互作用機(jī)制研究，揭示水基納米流體中緩蝕阻垢劑作用機(jī)理及對(duì)金屬緩蝕性能影響。為深入認(rèn)識(shí)水基納米流體中金屬腐蝕機(jī)理和防腐蝕方法提供理論和方法支持。

金屬腐蝕金屬腐蝕的本質(zhì)

金屬原子失去電子變?yōu)殡x子，金屬發(fā)生氧化反應(yīng)

金屬在腐蝕過(guò)程中所發(fā)生的化學(xué)變化，從根本上來(lái)說(shuō)就是金屬單質(zhì)被氧化形成化合物。

金屬腐蝕金屬腐蝕的途徑

這種腐蝕過(guò)程一般通過(guò)兩種途徑進(jìn)行：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕：金屬表面與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕。

電化學(xué)腐蝕：金屬材料（合金或不純的金屬）與電解質(zhì)溶液接觸 , 通過(guò)電極反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕。

生物腐蝕也是金屬腐蝕的一種途徑

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將納米流體與不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對(duì)納米流體與強(qiáng)化傳熱面的耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。針對(duì)光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項(xiàng)目建立了納米流體流動(dòng)與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間其它的作用力，在強(qiáng)化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強(qiáng)化傳熱，這對(duì)光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機(jī)理的解釋及強(qiáng)化傳熱的方向提供了一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)換熱器，本項(xiàng)目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計(jì)的穩(wěn)定性檢測(cè)方法-透過(guò)比法，該方法是一種定量檢測(cè)方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。本項(xiàng)目將配制的納米流體與各種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱面、納米顆粒組分對(duì)流動(dòng)與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時(shí)也大大增加了其流動(dòng)阻力。為了能夠客觀、綜合地評(píng)價(jià)這些強(qiáng)化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對(duì)每一個(gè)物理問(wèn)題進(jìn)行模型建立及公式推導(dǎo)，過(guò)程繁瑣。本項(xiàng)目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評(píng)價(jià)相比，本項(xiàng)目的火用效率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則圖適用范圍更廣，只要涉及到強(qiáng)化手段，該評(píng)價(jià)準(zhǔn)則均可適用，并且不再需要單獨(dú)推導(dǎo)和建模，這對(duì)于以后新的強(qiáng)化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評(píng)價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。針對(duì)電子元件冷卻，本項(xiàng)目研究了不同的強(qiáng)化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個(gè)臨界組分，這對(duì)于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義。

中文名稱

釩腐蝕的抑制

英文名稱

inhibition of vanadium corrosion

定　　義

燃料油中添加鎂鹽等阻化劑來(lái)抑制釩鹽對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)葉片的腐蝕。

應(yīng)用學(xué)科

電力（一級(jí)學(xué)科），汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)（二級(jí)學(xué)科）