水基纳米流体对金属腐蚀及腐蚀抑制机理的研究

纳米流体是一种新型传热介质，因其具有显著节能效益而成为近年来研究热点。水基纳米流体是非常有前景的冷却介质，在国外已进入小范围应用阶段。过去对纳米流体的研究多集中在制备与传热性能研究方面，有关纳米流体对热交换金属腐蚀行为的研究较少。本项目通过电化学测试、表面分析和溶液分析等技术重点研究了Al2O3、TiO2、SiO2、碳纳米流体中黄铜腐蚀行为和腐蚀机理、纳米颗粒对缓蚀剂性能的影响；研究了不同纳米颗粒对水中碳酸钙垢形成和抑制行为的影响及机制，以及纳米颗粒对化学阻垢剂性能影响。 模拟冷却水（SCW）中Al2O3纳米颗粒和表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）对黄铜腐蚀行为的研究表明，黄铜在SCW-Al2O3纳米流体中发生较严重的脱锌腐蚀，主要腐蚀产物为Zn5(OH)6(CO3)2，Al2O3纳米颗粒同时促进了黄铜的阳极和阴极过程，这与纳米颗粒促进介质中氧和腐蚀产物的传质过程有关。模拟水中SDBS可在黄铜表面吸附成膜，对黄铜具有一定保护作用；在SCW-SDBS-Al2O3纳米流体中SDBS在黄铜表面的吸附作用更强，这与纳米颗粒提高了SDBS的临界胶束浓度、以及正电性的Al2O3纳米颗粒与SDBS阴离子之间存在静电吸附有关。Al2O3纳米颗粒降低了BTA对黄铜的缓蚀性能。 黄铜在TiO2纳米流体中的腐蚀行为研究表明，TiO2纳米颗粒促进了黄铜的腐蚀，降低了SDBS对黄铜的缓蚀作用；在SCW和SCW-TiO2纳米流体中黄铜表面由Cu2O内层和Zn5(CO3)2(OH)6外层组成；在SCW-SDBS-TiO2纳米流体中，黄铜表面主要存在Cu2O层，未见明显的SDBS吸附膜和锌腐蚀产物，腐蚀产物主要以离子形式进入溶液。TiO2纳米颗粒抑制了SDBS在黄铜表面的吸附，可能与带负电的TiO2纳米颗粒与SDBS阴离子在黄铜表面的竞争吸附有关。 研究了Al2O3纳米流体中阻垢剂PBTCA（2-膦酰丁烷-1,2,4-三羧酸）对CaCO3的阻垢性能及阻垢机理，结果显示，PBTCA具有较好的溶液阻垢和表面阻垢性能；在Al2O3纳米流体中，PBTCA的溶液阻垢性能下降。Al2O3纳米颗粒显著缩短了含PBTCA的成垢溶液中CaCO3的成核诱导期，减弱了PBTCA对成垢离子的络合增溶作用，使PBTCA的溶液阻垢性能下降；但Al2O3纳米颗粒促进了文石碳酸钙的生成，具有一定的表面阻垢性能。

纳米流体因其显著的节能效益而成为近年来研究热点。水基纳米流体是一种很有前景的冷却剂，未来替代传统冷却水应用于各类热交换系统的可能性很大。初步研究发现，高活性纳米颗粒的加入将引起金属/水界面及冷却水物理化学性质变化，从而引起金属腐蚀与控制机制的变化。因而产生一种新的腐蚀体系--纳米流体中金属的腐蚀。为了深入认识这种腐蚀体系，本项目就纳米流体对金属的腐蚀行为、规律及腐蚀抑制机理展开研究。 本项目以热交换冷却水系统常用金属材料为研究对象，采用电化学测量方法并结合溶液分析、结构分析和表面分析技术研究金属/纳米流体界面特性、水基纳米流体物理化学性质、金属-纳米流体体系中金属表面状态及金属电化学腐蚀过程和规律；通过纳米颗粒的吸附特性、表面活性及其与缓蚀阻垢剂的相互作用机制研究，揭示水基纳米流体中缓蚀阻垢剂作用机理及对金属缓蚀性能影响。为深入认识水基纳米流体中金属腐蚀机理和防腐蚀方法提供理论和方法支持。

金属腐蚀金属腐蚀的本质

金属原子失去电子变为离子，金属发生氧化反应

金属在腐蚀过程中所发生的化学变化，从根本上来说就是金属单质被氧化形成化合物。

金属腐蚀金属腐蚀的途径

这种腐蚀过程一般通过两种途径进行：化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀：金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。

电化学腐蚀：金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触 , 通过电极反应产生的腐蚀。

生物腐蚀也是金属腐蚀的一种途径

由于传统换热介质的热容量和导热系数较小以及普通换热设备的换热效率低下，严重影响换热设备换热效率的提升。本项目将纳米流体与不同强化结构的换热面相结合应用于光热转换、换热器、电子元件冷却等领域的换热设备中，对纳米流体与强化传热面的耦合传热特性及强化机理进行研究。针对光热转换的腔体，本项目建立了纳米流体流动与传热的两相格子Boltzmann模型，研究了纳米颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布规律，揭示了纳米颗粒粒径对流动与传热的影响规律，结果发现布朗力的数量级远远大于颗粒间其它的作用力，在强化换热方面起着决定性的作用，纳米颗粒主要分布在腔体的上部或者中部，粒径越小越有利于强化传热，这对光热转换腔体内传热介质及工况的选择、传热机理的解释及强化传热的方向提供了一定的指导意义。针对换热器，本项目配制了不同种类的纳米流体，提出了一种基于紫外分光光度计的稳定性检测方法-透过比法，该方法是一种定量检测方法，与定性的沉淀法相比，具有更加准确的优势。本项目将配制的纳米流体与各种强化结构的换热管相结合，研究了不同结构的强化换热面、纳米颗粒组分对流动与传热的影响，发现强化结构与纳米流体的结合大大提升了换热效果，同时也大大增加了其流动阻力。为了能够客观、综合地评价这些强化技术，引入了火用效率，但是传统的火用效率需要针对每一个物理问题进行模型建立及公式推导，过程繁琐。本项目提出并建立了一种统一的火用效率评价准则图，与传统的火用效率评价相比，本项目的火用效率评价准则图适用范围更广，只要涉及到强化手段，该评价准则均可适用，并且不再需要单独推导和建模，这对于以后新的强化技术在能的品质上的综合评价有一定的指导意义。针对电子元件冷却，本项目研究了不同的强化换热面与纳米流体的结合，结果发现最大纳米颗粒组分的冷却效果不是最好，而是存在一个临界组分，这对于电子元器件冷却表面结构的设计、传热介质及工况的选择提供了一定的指导意义。

中文名称

钒腐蚀的抑制

英文名称

inhibition of vanadium corrosion

定　　义

燃料油中添加镁盐等阻化剂来抑制钒盐对燃气轮机叶片的腐蚀。

应用学科

电力（一级学科），汽轮机、燃气轮机（二级学科）