Cl-离子作用于镁表面的腐蚀特性研究

刘小娥

摘要：本文用微观方法研究了Cl-离子作用于镁表面的腐蚀特性，建立了反应模型，用微观的方法研究了Cl-离子的加入镁表面的均方分布函数和镁原子和氧原子之间的径向分布函数。结果表明：随着Cl-离子的加入，会破坏水分子的稳定结构，加快了镁表面与水中的氧原子的反应，从而使镁表面的腐蚀速率不断增大。

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.

关键词：腐蚀特性;金属腐蚀;扩散系数

Key words： corrosion characteristics;metal corrosion;diffusion coefficient

0  引言

镁合金是实际应用中最轻的金属结构材料，具有强度高、耐冲击、散热好、尺寸稳定和弹性模量大、减震性好等优点。这些特性使得其应用领域十分广泛，镁合金已被发达国家应用于汽车变速箱壳体、发动机缸体、发动机罩盖等零部件上，用镁合金制造汽车零部件，可以减轻汽车车重，显著提高汽车行驶的灵活性等，随着技术的发展，镁合金在汽车领域的应用范围会更广。但由于其化学性质活泼，平衡电位很低，耐腐蚀性较差，其在电解质溶液的环境下极易发生腐蚀，研究者们通过表面改性和材料改性等多种手段控制镁合金的腐蚀速度，但效果并不理想。如何控制鎂合金在电解质环境中的腐蚀速率是现如今镁合金广泛应用的瓶颈。其中，探究镁合金在电解质溶液中的腐蚀原因可为解决其腐蚀速率过快提供理论指导。研究者研究发现，在电解质溶液环境中，Cl-离子对镁合金的腐蚀影响很大，其在溶液中很大程度地加快了镁合金的腐蚀[1]。但研究者只能从实验中得到腐蚀加快这一现象，其腐蚀原因并不清楚。本文用微观方法研究了Cl-离子对镁合金腐蚀的机理，对其机理进行分析。

1  微观模型的建立

首先用软件Materials studio建立了Cl-离子，H2O分子，然后用Geometry optimization进行了结构优化。然后建立了Cl-离子溶液。建立镁表面，将Cl-离子溶液放在镁表面上，如图1所示，进行结构优化，然后用Forcite模块进行分子动力学计算[2]。

2  实验结果与分析

如图2所示反应后Cl-离子作用于镁表面后，模拟体系的均方位移系数随时间变化而增大，其前100ps斜率低于后75ps的斜率，其原因在于Cl-离子的加入，破坏了水分子的稳定结构，使水分子分成了氧原子和氢原子，氧原子与镁表面结合会破坏镁原子之间的键，使镁的碎片从镁表面脱落，从而加快了镁的腐蚀。

图3为Mg-O原子之间的径向分布函数，两原子之间的距离r为径向分布函数最高峰对应的距离值，其为20 Angstron，小于31Angstron[3]。故镁原子和氧原子发生了强烈的化学反应，故镁腐蚀速度加快的直接原因为Cl-离子的加入，破坏了水分子，使镁与水分子中的氧原子的反应概率增大。

3  结论

结果表明：Cl-离子的加入，破坏了水分子的稳定结构，使水分子分成了氧原子和氢原子，氧原子与镁表面反应概率增大，通过化学反应，使镁的碎片从镁表面脱落，从而加快了镁的腐蚀。

参考文献：

[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，贡春艳，周欣，等.基于分子动力学模拟的油纸绝缘系统中气体小分子扩散行为[J].高电压技术，2012（09）：234-243.

[3]范永胜，陈旭，周维，等.分子动力学模拟压水反应堆中联氨对水的影响[J].物理学报，2016，60（03）：160-167.