[재료공학실험]금속의 부식속도 측정 - 금속의 동전위 분극, 선형분극, A.C Impedance 측정 1부

실험 목적

1. 분극과 부식전위의 개념을 파악하고 분극곡선을 통하여 금속의 용액에서의 부식반응을 이해한다.

 

2. 분극실험의 결과값을 이용하여 Rp값과 icorr을 구한다.

 

3. 작은 진폭의 교류전압에 따라 나타나는 시편의 반응 전류를 통해 전기화학적 기본인자들의 구성을 알아본다.

실험 이론 및 원리

1. 부식 속도

부식은 전기화학적 반응의 결과이므로 그 속도는 단위시간당 전하흐름의 속도, 전하의 흐름속도인 전류로 표현할 수 있다. 분극은 전류의 흐름에 의해 전극의 전위가 평형전위로부터 증감하는 현상으로서 분극을 발생시키는 요인에 따라 활성분극, 농도분극, 저항분극으로 분류된다.

부식속도 측정법에는 타펠 외삽법(동전위분극),선형 분극법, 및 임피던스법과 같은 전기화학적인 방법과 부게감량법과 용액분석법 등의 비전기화학적 방법이 있다. 전기화학적 방법에는 부식전위 근처에서는 전위와 전류사이에 선형적인 관계가 존재한다는 분극의 특성을 이용하여 분극량을 조정하여 전류의 크기를 측정하는 방법이. 측정된 부식속도는 전류 밀도로 표시되게 된다.

표 1. 부식속도 측정에 이용 가능한 기술들의 실제적용성

기술		부식지표	실제적용성
			실험실	환경
전기 화학적방법	부식전위법	정성적	높음	높음
	저항법	반정량적	중간	낮음
	보강저항법	반정량적	낮음	낮음
	분극저항법	정량적	중간	극히 낮음
	임피던스법	정량적	낮음	극히 낮음
	잡음법	반정량적	극히 낮음	극히 낮음
비전기 화학적방법	무게감량법	정량적	낮음	불가능
	육안법	정량적	높음	높음
	적외선법	정량적	극히 낮음	극히 낮음
	레이더법	정량적	극히 낮음	극히 낮음
	감마선법	정량적	극히 낮음	낮음

2. 동전위 분극

물의 존재 하에, 금속에서는 국부적인 불균일 구조 때문에 전기화학적으로 전위분포에서 불균형을 발생하고, 국부전지가 형성되며, 방식이 진행된다. 국부전지의 음극부에서는 금속이 전자를 방출한다. 한편 양극부에서는 음극부로부터 흘러나온 전자에 의해 수소이온이 환원된다. 그때에 흐르는 방식전류에 의해 음극, 양극이 각각 분극 된 후 양극 간에 생기는 전위차를 부식전위라고 부른다.

분극 η 는 평형반전지전위 e0로부터의 전위변화 E-e0이며 표면에서의 반응속도에 의해서 야기된다. 음극분극의 경우, 전자가 금속 표면으로 공급되어져 반응속도가 느려지게 되며 표면에 축적된 전자들로 인해 표면전위 E는 평형반전지 e보다 더욱 -방향에 있게 된다. 따라서 음극분극은 정의에 의해서 부(-)이다. 한편 양분극의 경우에는 전자가 금속 표면으로부터 제거되어지며 따라서 표면에 전자결핍 현상이 발생하게 된다. 표면 반응에 의한 전자의 방출은 느리며 표면전위 E는 평형반전위 e0보다 더욱 +방향에 있게 된다. 즉 양극분극은 정의에 의해서 정(+)이다.

분극은 두 가지 형태 즉 활성화 분극과 농도분극으로 나누어지게 된다. 활성화분극은 반전지 반응에서 어떤 한 과정이 전하흐름의 속도를 지배하게 될 때, 그 반응은 활성화에 의한 지배 또는 전하이동에 의한 지배를 받고 있다고 발할 수 있고, 그 결과 활성화분극이 발생하게 된다.

위의 그래프는 타펠 거동을 보여주는 활성화 과전압이다. 타펠 상수 β의 값은 양극반응에서와 음극반응에서 서로 같다.

농도분극은 전해질 속의 수소이온이 금속으로부터의 전자에 의해 환원될 때, 전극 주변에서 수소기체로 환원되는 속도만큼 빠르게 전해질 속의 수소이온은 전극으로 확산해 올 수 없다. 그런데 만일 전극 주변에서 매우 바른 속도로 수소기체가 환원이 된다면 적극 주변에 수소 기체가 하나도 남지 않는 수준에 이르게 되는데 이를 ‘한계확산전류밀도’라고 한다. 농도분극은 한계확산전류밀도에 가까워지면 나타나는데, 환원전류가 한계확산전류밀도 값에 접근하며 전극의 관전압은 무한대에 이르는 것을 알 수 있다. 한계확산전류밀도는 교반속도와 온도 및 농도의 증가에 다라 증가한다.

3. 선형 분극

부식전위 부근(±20 mV)에서는 전류와 전위사이에 선형적인 관계가 유지된다는 특성을 이용하여 인가된 전류에 의해 전위의 변화 양상으로부터 분극저항(Rp)를 측정하는 방법이다. 전도도를 갖는 매질에서만 적용이 가능하며 그 접근 방법이 전기화학적인 과학적 이론에 근거하고 있다. 부식속도는 시편의 10mV이내의 최소 과전압을 부과하고 시편과 보조전극 사이에 흐르는 전기적 전류를 측정함으로써 결정된다. 정상상태 도달 및 유지가 어려운 시스템에서는 실제보다 작은 분극 저항값이 측정되어 부식속도가 크게 나타나는 문제점이 있다. 위에서 구한 Rp값은 Stern-Geary 관계식을 이용하여 부식전류를 구할 수 있다. Rp값을 구하는 방법은 여러 가지가 있으나 본 실험에서는 Polarization Resistance 방법을 이용하고자 한다.

Stern-Geary Equation

βa : Tafel slope at anode, βc : Tafel slope at cathode, Rp : Polarization Resistance

4. A.C Impedance 측정

임피던스란 교류전류에 대한 총체적인 저항성분을 나타내는 말로 단위는 저항과 같은 Ω을 쓰며, 기호로는 Z로 표시한다. 교류는 주파수를 가지고 있어 끊임없이 +, -를 반복하며 흐르는 전류이다. 이런 교류에 대해 콘덴서는 교류의 주파수가 놓아질수록, 또 콘덴서 값이 커질수록 저항 분이 감소하는데 이에 반하여 코일은 주파수가 높아질수록 저항분이 커지게 된다. 전자를 capacitance, 후자를 inductance라 부르며 각각 C와 L로 표기한다.

Rp : 부식에 대한 금속의 저항값 RΩ : 용액의 저항값

C : 표면막을 용액이 침투하는 정도 inductance : 흡수에 의한 영향 W : 반응물과 생성물의 확산

실험 방법

1. 동전위분극

1) 1N NaCl용액을 만든다.

2) 시편을 연마한다.(TP 316L)

3) 용액을 N2 gas로 purging 하여 용존 산소를 제거한다.

4) 시편을 corrosion cell에 장착한다.

5) Ecorr을 측정한다.

6) Ecorr의 - 100mV에서 양분극한다.

7) 그래프를 분석 한다. (Tafel slope, Ecorr, Epass, icriti, ipass, icorr 등을 구한다)

 

2. 선형분극

1) 1N NaCl용액을 만든다.

2) 시편을 연마한다.(TP 316L)

3) 용액을 N2 gas로 purging 하여 용존 산소를 제거한다.

4) 시편을 corrosion cell에 장착한다.

5) 시편을 용액에 침지한 후 부식전위(Ecorr)가 안정될 때 까지 유지시킨다.

6) 부식전위(Ecorr)근처에서 ±20mV전위를 가해주어 분극한다.

7) 분극된 직선의 기울기로 Rp값을 구한 뒤 동전위 분극실험에서 얻어진 Tafel값을 이용하여 icorr값을 구한다.

 

3. A.C Impedance측정

1) TP 316과 0.1N H2SO4(deaeration분위기)를 준비한다.

2) TP 316의 Ecorr값이 안정할 때까지 측정한다.

3) 진폭 10mV, 주파수 105～10-2Hz 범위에서 impedance test실험을 한다.

4) 결과plot으로 Rp, RΩ, C의 값을 구한다.

5) 실험에서 나온 plot의 평형전기회로를 구성해본다.

6) 직류 측정법에서 나온 Rp값과 교류측정법에서 나온 Rp값을 비교한다.

7) Rp값을 구한 뒤 동전위 분극실험에서 얻어진 Tafel값을 이용하여 icorr값을 구한다.

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