成果简介：
该成果包括基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统及测试方法及其发展而来的一种多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法。
基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统通过对微电极阵列中每一个微电极的电流测量和电位测量以及对所有待测微电极的测量进行高速切换的测试方法，不仅使每一个微电极的电偶腐蚀 电流和电偶腐蚀电位数据具有很高的同步性，而且不同微电极之间的电偶腐蚀电流和电位数据的同步性也大为提高，可以准确地获取电偶腐蚀过程的信息及其动态变化。硬件测试系统由采用PXI总线技术的模块化仪器组成，易于搭建，并且可 以支持灵活的重新配置，集成度、可靠性高。基于图形化开发环境LabVIEW编写的软件系统，可以根据需求配置硬件系统功能，自定义后台的测试逻辑，以及前台的人机交互界面。
多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统设有经典电化学综合测试系统、微区电化学测试系统和微电极阵列测试系统三个测试系统，三个测试系统可以单独进行测试，也可以任意两个进行联用，利用微电极阵列作为桥梁和纽带，将三个测试系统耦合起来联用，能够进行经典电化学、微电极阵列和微区电化学三种测试，从大尺度、中间尺度和小尺度获取和有效关联非均匀结构局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等整体平均信息，具有一定统计特征的电偶电位、电偶电流等局部分布信息，以及局部阴极、阳极区的微区分布信息。
二、技术特点及技术指标：
微电极阵列又称丝束电极，由多个微小的金属或合金电极丝(微电极)按照一定的排列方式组合而成的电化学传感器。各个微电极既可以互相耦合起来作为一个整体的大面积金属电极使用，用于获取电极/溶液界面上与腐蚀相关的电化学平均信息，又能作为独立的微小探头分别测试各微小区域的电化学参数，获取电极/溶液界面上的电化学分布信息。由于微电极阵列技术在测试时不像其他的微区电化学测试技术那样对电极表面的平整度要求严格，因此，它特别适合用于获取具有复杂表面状态的腐蚀金属电极的电化学分布特征，例如，表面施加涂层、形成腐蚀产物或垢层、附着微生物膜的金属电极等。
然而，测试技术及测试仪器的发展相对滞后却成为微电极阵列技术广应用的一个瓶颈，有的阵列电极测试装置的关键部分——自动开关是自行订制的，在商业上无法普及；还有的丝束电极测试系统无法进行自动测试，使用很不方便。近来，有文献称采用美国 NI 公司的模块化仪器搭建了一套阵列电极电化学分布测试仪，并采用 LabVIEW 8.5 软件编写了测控程序，在材料的腐蚀不均一性研究上取得了较大进展；然而，由于受硬件配置和数字万用表接线上的限制，阵列电极的电位扫描和电流扫描需分开进行测试，且测试的时间较长，导致测量得到的电位数据和电流数据的同步性不高，给电偶腐蚀数据的解析和研究带来一定困难，而且其测试过程的自动化程度也有待提高。本成果的优势在于对每一个微电极的电流测量和电位测量以及对不同微电极的测量进行高速切换的测试方法，不仅同一个微电极的电偶腐蚀电流和电偶腐蚀电位数据具有很高的同步性，而且不同微电极之间的电偶腐蚀电流和电位数据的同步性也大为提高，可以准确地获取电偶腐蚀过程的信息及其动态变化。硬件测试系统由采用 PXI总线技术的模块化仪器组成，易于搭建，并且可以支持灵活的重新配置，集成度、可靠性高。基于图形化开发环境 LabVIEW编写的软件系统，可以根据需求配置硬件系统功能，自定义后台的测试逻辑，以及前台的人机交互界面。
此外，本成果针对现有非均匀结构局部腐蚀的研究过程中存在的无法定域测量或扫描电极表面不同位置电化学特征等上述问题，提供了一种多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法，该测试系统及方法将非均匀结构制备为阵列电极，能够区分不同区域的电化学特性差异，准确反映局域化腐蚀及其电化学过程。本成果提供的测试系统，设有经典电化学综合测试系统、微区电化学测试系统和微电极阵列测试系统三个测试系统，利用微电极阵列作为桥梁和纽带，将三个测试系统耦合起来联用，能够进行经典电化学、微电极阵列和微区电化学三种测试，获取和有效关联非均匀结构局部腐蚀过程的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等整体平均信息，具有一定统计特征的电偶电位、电偶电流等局部分布信息，以及局部阴极、阳极区的微区分布信息。本成果提供的测试方法，采用微电极阵列精确模拟一个大面积的非均匀结构及其各组成区域，利用微电极阵列测试系统进行测试，获取非均匀结构的电偶腐蚀状态和局部腐蚀电流密度；利用微电极 阵列测试系统与经典电化学综合测试系统联用进行测测试，获取自腐蚀电位、自腐蚀电流密度、极化性质及电化学阻抗谱等电化学性质的宏观平均信息，同时又可以获取具有一定统计特征的电偶电位及电偶电流等电化学性质的局部分布信息；利用经典电化学综合测试系统与微区电化学测试系统进行测试，获取非均匀结构被测表面的局部阻抗特性。本成果提供的测试系统及测试方法，通过中间尺度的微电极阵列，使获取的大尺度数据(即整体平均信息)和中间尺度数据(即局部分布信息)之 间、中间尺度数据(即局部分布信息)和小尺度数据(即微区分布信息)之间，可以经由一定的数理统计处理建立各种电化学性质的关联，从而准确反映出非均匀结构宏观腐蚀行为与各组成部分或材料的微观电极反应间的内在联系。即通过三种不同尺度测试系统的耦合、联用和表征，可全面获取和有效关联非均匀结构局部局部腐蚀过程的整体平均信息、局部分布信息和微区分布信息。
应用领域：
在国民经济的各个领域内经常会遇到各种非均匀结构，这些非均匀结构的组成有以下两种。一种是由多个组成部分组成，例如：焊缝接头是由母材区、热影响区和焊缝区等多个组成部分组成；一种是由多种金属或合金材料组成的，例如：船体表面由钢制船壳、铜合金螺旋推进器和铝基牺牲阳极等材料组成。由于各个组成部分或材料在腐蚀介质中的腐蚀电位和极化特性往往存在明显区别，而相互之间又存在着电连接，在腐蚀介质中就构成了一个复杂的存在多电极耦合的腐蚀金属电极系统。上述非均匀结构在各种自然环境和工艺环境中易产生严重的局部腐蚀，对压力容器和管道、 舰船、水下生产系统等装置、设施和构件的服役安全构成巨大威胁，迫切需要研究解决。而这种多电极耦合的非均匀结构由于存在宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池的耦合，其局部腐蚀过程往往具有多相、多界面、高度不均匀分布的特征，传统的电化学手段在表征其腐蚀行为时存在一定的困难和局限性，导致其局部腐蚀过程的电化学机制目前仍不十分清楚。
目前，对非均匀结构的局部腐蚀研究，主要采用室内模拟加速、电化学测试并配合理化分析手段进行，考察其各个组成部分，例如焊缝金属、焊接热影响区、熔合区或母材的成分、显微组织与焊接接头腐蚀行为的关系，通过上述方式在一定程度上推动了非均匀结构局部腐蚀研究的发展。但是，由于非均匀结构是一个典型的非均相多电极系统，腐蚀过程高度局部化并随时间而变化和转移。迄今为止，在多电极耦合条件下的电偶腐蚀效应对局部腐蚀的加速机制鲜有深入研究，也缺乏一些直接的电化学证据。以焊接接头为例，传统的极化曲线、电化学阻抗谱等经典电化学测试技术仅能 获得焊接接头某一组成部分的统计和面积平均的电极‑溶液界面信息，却无法做到定域测量或扫描电极表面不同位置的电化学特性，更难以直接、准确地表征这种具有多相、多界面、高度局部化的腐蚀过程的电化学信息差异、分布及其动态变化。
本成果提出的一种多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法，就可以解决现有非均匀结构局部腐蚀的研究过程中存在的无法定域测量或扫描电极表面不同位置电化学特征等问题。对于有此类研究需求的科研机构和企业，本成果具有行业领先的技术水平，与同类产品相比测试精度更高，产品灵活性、扩展性更好，具有良好的应用前景。此外，可在现有技术基础上进一步发展阵列电极腐蚀监测技术，将该成果不仅应用于实验室研究，而且推广到现场的腐蚀监测，产品市场将进一步扩大，存在进一步开发和发展的巨大潜力。
投入需求：
本成果主要基于 PXI 模块化仪器进行产品硬件上的装备，产品成本和价格均较高，前期主要投入成本在于场地租赁和配件采购，若采用先付款订货再销售的模式，可进一步减小投资成本。成果产业化预计投入资金 200 万元，需要场地 200 平方米，无需其他专业设施。
图 1 多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀测试系统
图 2 微电极阵列测试系统
专利授权及申请情况：
1、国家发明专利：基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统及测试方法（授权）
2、国家发明专利：多电极耦合的非均匀结构局部腐蚀的测试系统及方法（授权）
3、实用新型专利：基于微电极阵列的多通道电偶腐蚀测试系统（授权）
4、软件著作权：微电极阵列腐蚀测试系统 V1.0（登记）
成果受资助及获奖情况：
国家自然科学基金面上项目，41676071，海底管线焊接接头电偶腐蚀过程的精确建 模及跨尺度表征，2017-01 至 2020-12；
技术成熟程度：☑形成样机、样品或软件
