آزمون خوردگی: طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) چیست؟

مولف: علی کوثری مهر

طیف‌سنجی آمپدانس الکتروشیمیایی (EIS)

طیف‌سنجی آمپدانس الکتروشیمیایی روشی بسیار موثر برای تجزیه و تحلیل خوردگی شناخته می‌شود. در نظریه‌ی DC، مقاومت به وسیله‌ی قانون اهم تعریف می‌شود. با بکارگیری این قانون، می‌توان یک پتانسیل DC را به یک مدار اعمال کرد و جریان منتج را اندازه‌گیری کرد که از آن می‌توان مقاومت را محاسبه کرد. این موضوع در مقاله‌ی قبل به موجب اندازه‌گیری‌های DC مانند مقاومت قطبش و قطبش پتانسیو دینامیکی نشان داده شد. در نظریه‌ی AC با رابطه‌ی به صورت ذیل روبرو هستیم:

E=IZ

که در آن Z برابر با آمپدانس است؛ یعنی معادل مقاومت AC در نظریه‌ی DC.

هر دو اصطلاح مقاومت و آمپدانس، مخالفت نسبت به جریان الکترون‌ها/جریان را نشان می‌دهند. در جریان DC این موضوع به موجب مقاومت‌ها میسر می‌گردد در حالی که در مدارهای AC این اثر می‌تواند توسط خازن‌ها و القاگرها نیز ایجاد گردد. موج سینوسی جریان توسط رابطه‌ی ذیل نشان داده می‌شود:

I(t)=A×sin(ωt+θ)

که در آن A، ω، t و θ به ترتیب نشانگر دامنه‌ی بیشینه، فرکانس در واحد رادیان بر ثانیه (2πf)، زمان و تغییر فاز است. ماهیت ولتاژ AC به صورت چرخه‌ای است. در طیف‌سنجی آمپدانس، ولتاژ قطبش‌گر از 5.20 میلی‌ولت نسبت به پتانسیل مدار باز (OCP) تغییر می‌کند. فرکانس‌ها از 100 کیلو هرتز تا چندین میلی هرتز اندازه‌گیری می‌شوند. جریان‌ها و ولتاژهای AC کمیت‌های برداری هستند. آمپدانس می‌تواند به عنوان عددی مختلط بیان شود که در آن مقاومت جز حقیقی و ترکیب ظرفیت خازنی و ضریب خودالقایی جز موهومی است. از اینرو خواهیم داشت:

I_Total=I^'+I^''i

به صورت مشابه برای ولتاژ AC نیز خواهیم داشت:

E_Total=E^'+E^''i

بردار آمپدانس به عنوان خارج قسمت بردار جریان و ولتاژ به صورت ذیل بدست خواهد آمد:

Z_Total=( E^'+E^''i)/( I^'+I^''i)

بردار منتج برای آمپدانس نیر به صورت زیر خواهد بود:

Z_Total=Z^'+Z^''i

که در آن Z^' و Z^'' به ترتیب آمپدانس حقیقی و آمپدانس موهومی هستند. بزرگی مطلق آمپدانس به صورت ذیل بدست می‌آید:

Z^_|=[(Z^')²+(Z^'')²]^1/2_|

و

^'tanθ= Z^''/ Z

مقاومت خوردگی فلزات و آلیاژها می‌تواند با درجه دقتی نسبتا مناسب از نمودار نایکویست یا نمودار بود تخمین زده شود. در نمودار نایکویست، آمپدانس حقیقی بر حسب آمپدانس موهومی ترسیم می‌شود. در نمودار بود، آمپدانس کل بر حسب زاویه‌ی فازی θ به صورت تابعی از فرکانس ترسیم می‌گردد. در فرکانس‌های بالا Z→R_S میل می‌کند و آمپدانس برابر است با مقاومت محلول (R_S)، در حالی که در فرکانس پایین، آمپدانس به R_P =R_S نزدیک می‌شود. با دانستن  R_S، می‌توان R_P (مقاومت قطبش) را تخمین زد:

ω_Max=1/(C_dlR_P)

با دانستن R_P نیز می‌توان C_dl (ظرفیت دولایه) را تخمین زد. هرچه مقدار R_P +R_S بالاتر باشد، مقاومت خوردگی بیشتر خواهد بود. اختلاف بین R_S و R_P +R_S بزرگی مقاومت خوردگی را نشان می‌دهد.

البته باید در نظر داشت که رفتار مواد خوردگی غیر فلزی (مثلا سرامیک‌ها) می‌تواند به صورتی باشد که نمودار نایکویست یا بود آن‌ها نتواند به با بکارگیری مدل مدار معادل (چه ظرفیتی چه القاگری) توجیه شود. برای اطلاعات جامع در مورد این روش به مرجع ذیل رجوع کنید.

منابع:

Ahmad Z (2006) CONCRETE CORROSION. Princ Corros Eng Corros Control 609-646. Webpage