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English| 發(fā)布日期：2022-07-18 |
鋼材的使用幾乎遍及各行各業(yè)及生活的每個角落，腐蝕所帶來的影響和災(zāi)害雖悄無聲息，卻如同地震，火災(zāi)一樣，具有極強(qiáng)的破壞力。全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失可達(dá)8000億~10000億美元，歷年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示腐蝕造成的損失約為臺風(fēng)、地震、洪水等自然災(zāi)害的4~6倍，而腐蝕帶來的經(jīng)濟(jì)損失可以達(dá)到國家經(jīng)濟(jì)總量的3%~4%。
為什么要研究銹層組成？
據(jù)1998年腐蝕調(diào)查的結(jié)果，我國因腐蝕問題造成的損失已達(dá)到2800億元。車輛、橋梁、建筑塔架等鋼材長期暴露于大氣之中，腐蝕是造成其性能下降甚至損壞的重要原因。對于建筑物中的鋼材，銹蝕會直接影響到服役結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的承載能力，銹蝕膨脹會影響混凝土結(jié)構(gòu)，發(fā)生層裂和銹脹裂縫，嚴(yán)重時甚至可能造成橋梁或建筑的結(jié)構(gòu)提前失效甚至倒塌。而且鋼材腐蝕生成的紅銹，在流淌時也會嚴(yán)重影響周邊的混凝土建筑物和環(huán)境。因此鋼材腐蝕問題一直是研究的熱點。
對于鋼材而言，其耐蝕機(jī)理與銹層的組成與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此對腐蝕銹層的成分及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，探討銹層的組成物相是非常重要的課題。目前國內(nèi)主要使用X射線和紅外光譜儀，需要對銹層進(jìn)行取樣，且存在較大的人為誤差。而拉曼光譜不需要取樣，可以直接對基體上不同點位處的銹層進(jìn)行原位無損檢測，并且檢測結(jié)果快速準(zhǔn)確。
如海光電使用RMS1000便攜式拉曼設(shè)備，可以對鋼材銹蝕層的不同點位進(jìn)行原位檢測，搭配顯微還可實現(xiàn)微區(qū)成像功能。測得的拉曼譜圖與數(shù)據(jù)庫及文獻(xiàn)對比，可鑒別不同銹蝕成分，對鋼材的銹蝕進(jìn)行研究。
基本原理
拉曼光譜是通過高能量、窄線寬激光激發(fā)樣品的拉曼散射信號，利用光纖光譜儀探測接收不同波數(shù)的拉曼散射信號。由于拉曼光譜本身具有高特異性，不同物質(zhì)不同結(jié)構(gòu)的拉曼光譜理論上并不相同，因此拉曼光譜又被稱為“指紋光譜”。其由于快速、無損、準(zhǔn)確的特點廣泛運(yùn)用在各個領(lǐng)域。
實驗儀器搭建及樣品
本次檢測使用如海光電785nm便攜式微型拉曼光譜儀RMS1000，并搭配顯微鏡和顯微拉曼適配模組。
圖1 RMS1000搭配顯微拉曼成像
圖2 鋼板銹層試樣
實驗過程
在鋼板銹層上選擇五個檢測點位，實驗樣品編號為a、b、c、d、e，a點為黑色銹層，b、c、e分別為不同位置、不同顏色深淺的黃色銹層，d為白色銹層。分別對五個樣品點位的銹層進(jìn)行顯微成像和拉曼檢測。
圖3 采樣點位置示意圖
五個樣品點位的成像圖：
用RMS1000對樣品進(jìn)行測試，并對樣品拉曼光譜進(jìn)行預(yù)處理去除基線后可得到下圖譜：
圖4 785nm激發(fā)拉曼測試結(jié)果
圖4顯示，不同顏色銹層有明顯不同的拉曼信號峰，且拉曼信號集中在1500cm-1以下的低波數(shù)區(qū)域。
其中黑色銹層在214cm-1、283cm-1、401cm-1、486cm-1、604cm-1處出現(xiàn)明顯的拉曼信號峰，且486cm-1和604cm-1處信號峰為黑色銹層區(qū)別于其他銹層的拉曼信號。
圖5 黑色銹層拉曼信號
白色區(qū)域在275cm-1、709cm-1、1087cm-1處有明顯的拉曼信號峰，其中709cm-1處和1087cm-1處拉曼峰位與其他顏色銹層信號區(qū)分度明顯。
圖6 白色銹層拉曼信號
三個黃色區(qū)域采樣點信號有所差異，b點在211cm-1、278cm-1、396cm-1有拉曼信號，c點在240cm-1、283cm-1、387cm-1處有拉曼信號，e點在216cm-1、242cm-1、248cm-1、394cm-1處有拉曼信號。
圖7 黃色銹層拉曼信號
各采樣點位拉曼信號峰位如下：
各采樣點拉曼峰位
實驗結(jié)論
本實驗利用顯微拉曼系統(tǒng)采集了五個區(qū)域，三種不同顏色的樣品拉曼光譜。實驗結(jié)果顯示不同顏色銹層間的拉曼信號峰位差異較大，使用785nm拉曼可對不同顏色銹層進(jìn)行區(qū)分。
樣品信號中可觀察到Fe2O3的峰位（a點283cm-1，b點278cm-1，c點283cm-1，d點275cm-1），可觀察到羥基氧化鐵α-FeOOH的峰位（a點401cm-1，b點396cm-1，c點387cm-1，e點394cm-1），α-FeOOH中O-H彎曲振動特征峰為397cm-1。
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