Cl^-離子作用于鎂表面的腐蝕特性研究

劉小娥

摘要：本文用微觀方法研究了Cl-離子作用于鎂表面的腐蝕特性，建立了反應模型，用微觀的方法研究了Cl-離子的加入鎂表面的均方分布函數和鎂原子和氧原子之間的徑向分布函數。結果表明：隨著Cl-離子的加入，會破壞水分子的穩定結構，加快了鎂表面與水中的氧原子的反應，從而使鎂表面的腐蝕速率不斷增大。

Abstract： In this paper， the corrosion characteristics of Cl- ions acting on the surface of magnesium were studied by microscopic method， and the reaction model was established. The mean square distribution function of Cl- ions on the surface of magnesium and the radial distribution function between magnesium atoms and oxygen atoms were studied by microscopic method. The results show that with the addition of Cl- ions， the stable structure of water molecules will be destroyed， and the reaction between magnesium surface and oxygen atoms in water will be accelerated， thus increasing the corrosion rate of magnesium surface.

關鍵詞：腐蝕特性;金屬腐蝕;擴散系數

Key words： corrosion characteristics;metal corrosion;diffusion coefficient

0? 引言

鎂合金是實際應用中最輕的金屬結構材料，具有強度高、耐沖擊、散熱好、尺寸穩定和彈性模量大、減震性好等優點。這些特性使得其應用領域十分廣泛，鎂合金已被發達國家應用于汽車變速箱殼體、發動機缸體、發動機罩蓋等零部件上，用鎂合金制造汽車零部件，可以減輕汽車車重，顯著提高汽車行駛的靈活性等，隨著技術的發展，鎂合金在汽車領域的應用范圍會更廣。但由于其化學性質活潑，平衡電位很低，耐腐蝕性較差，其在電解質溶液的環境下極易發生腐蝕，研究者們通過表面改性和材料改性等多種手段控制鎂合金的腐蝕速度，但效果并不理想。如何控制鎂合金在電解質環境中的腐蝕速率是現如今鎂合金廣泛應用的瓶頸。其中，探究鎂合金在電解質溶液中的腐蝕原因可為解決其腐蝕速率過快提供理論指導。研究者研究發現，在電解質溶液環境中，Cl-離子對鎂合金的腐蝕影響很大，其在溶液中很大程度地加快了鎂合金的腐蝕[1]。但研究者只能從實驗中得到腐蝕加快這一現象，其腐蝕原因并不清楚。本文用微觀方法研究了Cl-離子對鎂合金腐蝕的機理，對其機理進行分析。

1? 微觀模型的建立

首先用軟件Materials studio建立了Cl-離子，H2O分子，然后用Geometry optimization進行了結構優化。然后建立了Cl-離子溶液。建立鎂表面，將Cl-離子溶液放在鎂表面上，如圖1所示，進行結構優化，然后用Forcite模塊進行分子動力學計算[2]。

2? 實驗結果與分析

如圖2所示反應后Cl-離子作用于鎂表面后，模擬體系的均方位移系數隨時間變化而增大，其前100ps斜率低于后75ps的斜率，其原因在于Cl-離子的加入，破壞了水分子的穩定結構，使水分子分成了氧原子和氫原子，氧原子與鎂表面結合會破壞鎂原子之間的鍵，使鎂的碎片從鎂表面脫落，從而加快了鎂的腐蝕。

圖3為Mg-O原子之間的徑向分布函數，兩原子之間的距離r為徑向分布函數最高峰對應的距離值，其為20 Angstron，小于31Angstron[3]。故鎂原子和氧原子發生了強烈的化學反應，故鎂腐蝕速度加快的直接原因為Cl-離子的加入，破壞了水分子，使鎂與水分子中的氧原子的反應概率增大。

3? 結論

結果表明：Cl-離子的加入，破壞了水分子的穩定結構，使水分子分成了氧原子和氫原子，氧原子與鎂表面反應概率增大，通過化學反應，使鎂的碎片從鎂表面脫落，從而加快了鎂的腐蝕。

參考文獻：

[1]Magnesium from bioresorbable implants： Distribution and impact on the nano- and mineral structure of bone[J]. Biomaterials， 2016， 76：250-260.

[2]廖瑞金，貢春艷，周欣，等.基于分子動力學模擬的油紙絕緣系統中氣體小分子擴散行為[J].高電壓技術，2012（09）：234-243.

[3]范永勝，陳旭，周維，等.分子動力學模擬壓水反應堆中聯氨對水的影響[J].物理學報，2016，60（03）：160-167.