神秘的“磁化学腐蚀”
2021-07-02 13:24:01
作者：凌思纯，吕战鹏 来源： 腐蚀与防护
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凌思纯，吕战鹏
（上海大学 材料科学与工程学院材料研究所，上海 200072 ）
提起腐蚀这一常遇到的现象，大家可能首先会想到电场，会想到电位的影响。经典的腐蚀科学理论里，腐蚀发生与发展的电化学机理是核心，我们常常会提到“电化学腐蚀”。与电场相似，磁场虽然也是无处不在，然而“磁化学腐蚀”却鲜为人知。在这里，我们会介绍关于磁场对金属腐蚀的影响的种种知识，还有“磁化学腐蚀”这个“新鲜词”。
磁场，无处不在；磁现象，纷繁复杂。地球是我们的母星，是上百万生物的家园；地磁场，是指地球内部存在的磁性现象。我们生活在地磁场中，地磁场强度为0.5-0.6高斯，也就是50-60μT，地磁场对生存在地球上的生物有潜移默化的影响：人类每时每刻都在接受宇宙微波的能量，宇宙中有很多对人体有害的射线，这些射线经过地球磁场会发生偏转，使得许多射线不能到达地球表面，于是生命能够存在与繁衍。恒星（如太阳），星系（如银河系），行星、卫星，以及星际空间和星系际空间，也都会存在着磁场[1]。很久以前，人类就已知道磁石和其独特的磁性。公元前600年前后，古希腊哲学家泰勒斯发现“磁石有灵”，即磁石有牵引铁屑的能力[2]，两者之间的相互作用是“以磁为媒”，两者不需要接触就能产生“火花”。1820年丹麦物理学家汉斯·奥斯特发现了电流的磁效应，即任何通有电流的导线，都可以在其周围产生磁场，自此电磁学的时代来临。奥斯特的发现惊动了整个欧洲，以科学上极为敏感、特别能接受他人成果而著称的安培对此进一步实验，从而提出了安培定律，又称右手螺旋定则，表示了电流和电流激发磁场的磁感线方向间关系，即：假设用右手握住通电导线，大拇指指向电流方向，那么弯曲的四指就表示导线周围的磁场方向；假设用右手握住通电螺线管，弯曲的四指指向电流方向，那么大拇指的指向就是通电螺线管内部的磁场方向[1,3]。英国科学家法拉第发现闭合电路的一部分导体做切割磁感线运动时，在导体上就会产生电流的现象叫电磁感应现象，产生的电流叫做感应电流，这也是发电机制成的原理。电磁感应现象的发现，是电磁学领域中最伟大的成就之一。它不仅揭示了电与磁之间的内在联系，而且为电与磁之间的相互转化奠定了实验基础，为人类获取巨大而廉价的电能开辟了道路，对实际应用有着重大意义[3]。电磁感应现象的发现对当时的工业社会产生了巨大的影响，极大地促进了社会生产力，也标志着一场重大的工业和技术革命的到来。
只要有电流产生，就有感应磁场存在。直流电诱导产生直流磁场，交流电诱导产生交变磁场。发电机就是利用“磁生电”原理，通过能量转换，将其他形式的能源转换为电能；电动机则与之相反，将电能转化为机械能。磁电相生是自然科学中的基本规律。在日常生活中，很多生活与工业装置周围都能产生磁场，发电机与电动机就是其中之一，甚至在人体内，伴随着生命活动，一些组织和器官内也会产生微弱的磁场[4]。随处可见的输电线路，可以将电能长距离传输，其中通过大电流的输电线周围会产生强磁场。在轨道交通中担任重要角色的地铁和高铁，产生的杂散电流会产生杂散磁场，新型交通工具磁悬浮列车更是磁场与运动设备紧密结合的典型范例，见图1。
图1. 自然界和工业界中的磁场与设备示意图
那么，磁场究竟会如何影响金属的腐蚀呢？我们先了解一下“电化学腐蚀”规律，以及著名的“洛伦兹定律”。腐蚀金属与水溶液的界面上发生电化学反应，腐蚀电化学的基本原理在腐蚀科学的专著中已有深入和详尽的描述[5]。对于不同的腐蚀金属/环境体系，依电位不同，电子转移过程和物质传输过程会独自或者共同影响金属腐蚀过程与速率。比如，铁在稀硫酸或者稀盐酸溶液中的腐蚀速率就被认为是由氢离子还原反应电子转移过程所控制[6-8]，而铁在含溶解氧中性氯化钠溶液中的腐蚀速率会受界面扩散层中氧气的传输过程的影响。还有一些腐蚀/金属体系，反应物离子浓度到达金属表面的过程或者反应生成离子离开金属表面的过程成为腐蚀速率控制步骤，磁场如果对这些离子在金属/溶液界面层的传质过程产生影响，就会影响这些体系的金属腐蚀过程与速率[9-11]，见图2。
图2. 磁场影响腐蚀金属电极过程的磁流体动力学机理示意图
荷兰物理学家洛伦兹于1895年提出磁场对运动电荷有作用力的洛伦兹力定律，并被大量实验结果所证实。洛伦兹力F（Lorentz force）是运动于磁场中的带电粒子所受的力，F=QvB（F是洛伦兹力，Q是带电粒子的电荷量，v是带电粒子的速度，B是磁感应强度，公式中为矢量积）。如果电场E和磁场B并存，则有F=Q（E+vB）。磁流体动力学是研究等离子体等导流体与电磁场的相互作用的学科，相关磁流体力学的基本方程是流体力学中的纳维-斯托克斯方程和电动力学中的麦克斯韦方程组，由瑞典物理学家汉尼斯·阿尔文创立并因此获得1970年的诺贝尔物理学奖。具体到电化学体系，磁流体动力学一般是指磁场对溶液中运动的带电荷粒子施加洛伦兹力引起的“扰动”叠加。如果某一金属体系的金属/溶液界面层中电化学活性粒子的传质过程影响金属腐蚀的速率，那么可以预期磁场会通过磁流体动力学机理影响这一体系的腐蚀。在不均匀磁场作用下，或者说是存在磁场梯度时，磁场梯度力（也可称为开尔文力）会叠加于溶液中顺磁性粒子的运动而影响电极过程。除了上述的洛伦兹力和开尔文力，磁场还可能通过叠加顺磁力、电动力和磁阻尼力等方式影响电化学腐蚀过程。
已有磁场影响金属腐蚀的报道，例如磁场作用下铝在氯化钠溶液中的腐蚀受到抑制[9]，磁场作用下钛在流动硫酸溶液中的腐蚀速率增加[12]，铜在含氧化剂溶液中的腐蚀速率与磁场强度之间的复杂相关性[13]。国内外研究者，包括本文作者之一曾对磁场影响腐蚀金属体系电极电化学反应开展了一系列研究[6-8,13-16]。已发现磁场会通过磁流体动力学机理影响铁在多种腐蚀性溶液中的电化学过程，包括阳极溶解-钝化-过钝化等阳极反应，以及高价铁离子还原、氢离子还原等阴极反应，磁场作用下铁电极表面出现的不均匀溶解，磁场对铁点腐蚀会产生抑制作用。也有报道磁场梯度力会影响铁在活性溶解区域的阳极溶解[14]。磁场会对局部腐蚀产生显著影响已有报道[8,16]。这些结果证实了磁场对金属腐蚀的一些关键电极过程的影响并提出了相关的机理，这可以归纳为“磁化学腐蚀”现象，或者是“磁电化学腐蚀”现象。
虽然已有不少有关磁场影响金属腐蚀的实验室结果的报道，目前鲜有有关磁场导致金属构件腐蚀失效的现场实例报道。一般来说，腐蚀失效是多种因素共同作用的结果，可以是均匀腐蚀也可以是局部腐蚀的作用结果。电场很容易通过电表等仪表进行感知，但感知磁场却要困难得多，比如需用特斯拉计等专用探头，再者磁场对腐蚀的影响也可能不是即时显现的，换句话说，会表现出“磁场影响滞后效应”，磁场作为影响金属腐蚀的隐形“杀手”或“帮凶”往往不易被察觉。开展基础研究，掌握基本规律，加强理论与实践的联系，就会对“磁化学腐蚀”机理及实际作用有更多的了解。
在生命系统中，信鸽归巢、候鸟在栖息地间的远距离迁徙、海龟洄游等已为人们所熟知。蜜蜂能采蜜后回巢，靠的就是蜜蜂腹部的磁性体，在地磁场的作用下，它相当于蜜蜂的“指南针”，帮助蜜蜂定位和导航；磁场可以降低血液的粘度，降低血栓的形成，对预防心、脑血管疾病的预防和治疗，有着重要的临床意义[1,4]。这些例子表明，磁场虽难以感知，但是真实存在，并在工业和生活中发挥着重要的作用。因此，研究磁场对腐蚀的影响，分析其作用机理，对工程应用有着重要的实际意义。宇宙浩瀚，人类利用人造卫星和宇宙飞船等飞行器探索空间的奥秘，而宇宙空间中强磁场的存在并非罕见，加之空间环境的复杂性，提示我们在迈向太空的步伐中，磁场与环境的共同作用也许会影响到空间材料的安全可靠性。
磁电相生常相随：我们在分析“电化学腐蚀”现象、探索腐蚀控制因素的时候，也别忽视了磁场可能的“推波助澜”的作用。探究磁场作用下金属腐蚀过程的变化规律，揭开神秘“磁化学腐蚀”的面纱，就能对这些特殊而又普遍的自然环境和工业环境下材料的服役可靠性进行预测，提高安全可靠性。正如以往人类社会对磁场多种功能的积极和广泛利用，利用磁场减缓腐蚀有可能成为一种重要的“磁电化学保护”新途径。
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