如果您曾经生活在一个潮湿的地方，可能熟悉一种被称为大气腐蚀的现象，这种现象通常表现为生锈。大气中的金属腐蚀经常发生，以至于建筑和制造领域的专业人员经常使用某种形式的腐蚀防护（比如在金属表面上施加一层涂层）。为了有效地分析腐蚀过程并优化预防技术，工程师可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件对大气腐蚀进行模拟。
寻找防止生锈的方法
大气腐蚀是一种电化学现象，当金属与电解质（如水）接触时就会发生。随着时间的推移，即使是很少的一层水分膜也足以对结构造成很大的破坏。经过一个漫长的冬天，当雪开始融化时，你放在门外的自行车就会出现生锈的迹象。造成大气腐蚀的其他因素包括城市的空气污染和海洋环境中的盐。
生锈的排气管。
由于环境的不可控和不容易预测性，许多工程师都会采用一些方法来保护他们的设计免受大气腐蚀。例如，根据环境的不同，制造商可能会选择使用比常见金属（例如钢和铁）更抗腐蚀的金属（例如铜和铝）。其他形式的保护还有在设计的产品上施加保护涂层，例如非贵金属涂层（如镀锌的钢，镀锡的铜）、油漆或防腐材料。
通过阴极和阳极保护减少腐蚀
另一种减少大气腐蚀的方法是采用阴极保护。与电解质接触的金属具有发生氧化（保护）的阴极区和发生还原（腐蚀）的阳极区。被腐蚀的金属通常被氧化，释放出的电子会参与阴极反应。尽管技术各不相同，但阴极保护涉及从外部电源（如电流）向金属提供电子的过程。阴极保护在一般环境下很有用，如金属暴露在水中。
在一些金属涂层，如镀锌钢结构中，锌就作为为阳极，当钢暴露在电解液中时，锌层就会受到破坏，锌相对便宜，从而保护阴极（钢）不被腐蚀。 还有其他阴极保护方法，如牺牲阳极或施加电流，但这些方法只有当物体浸入电解质（例如水）时才是有效的。
在某些环境中，还可以使用阳极保护。该方法通过施加可控的小阳极电流将金属偏置到无源区。该电流将产生一层薄薄的钝化膜层，从而 “阻止” 阳极腐蚀反应。它通常用于腐蚀性极强的环境中，如当不锈钢暴露于磷酸中时。
使用COMSOL Multiphysics和其附加的腐蚀模块，工程师可以评估结构中的阴极和阳极保护，电解质电位和腐蚀反应。举个例子，让我们看一下母线模型，母线是用于建筑物，车辆等分配功率的母线，因此会在许多不同的环境中受到大气腐蚀。
模拟母线的大气腐蚀过程
此大气腐蚀示例中的母线由多种材料和零件组成的：
- 铜质法兰
- 铝质法兰
- 锌质螺母和螺栓
母线由铜质法兰，铝质法兰，锌质螺母和螺栓组成。
每一个表面都会引起两个反应：
- 金属溶解，其中反应动力学由阳极 Tafel 表达式描述
- 氧气还原，其中反应动力学由阴极 Tafel 表达式描述
在该示例中，后一种反应（还原反应）受限于通过薄电解质层的氧气传输特性，极限电流密度取决于薄层的厚度，氧气的溶解度和氧气的扩散率。
设置好几何形状后，母线将暴露在潮湿的空气中开始腐蚀过程。首先，您可以使用“二次电流分布”接口来求解电极域中的电位。然后，可以使用 “电流分布，外壳”接口求解薄电解质层中的电解质电位。
电解质膜的厚度取决于盐负荷密度和相对湿度，而电导率和氧溶解度取决于周围空气的相对湿度。考虑到对相对湿度的依赖性，您可以采用在一般 “大气腐蚀”模型中相同的表达式来获得电解质膜的厚度，电解质的电导率和氧溶解度。假定氧扩散率是恒定的。
在 COMSOL Multiphysics® 中评估仿真结果
首先探究不同类型金属的电位变化，这可以帮助您确定哪些区域更容易腐蚀。在左下方图像中，可以看到施加的电流 (100A) 会导致母线上的电位下降约 2.5 mV。
其次，您可以看到金属中的电位与电解质膜电位之间的差异（如右下方图示显示为电极电位相对于相邻参考点的变化），显示了大气腐蚀如何影响每种类型的金属。请注意，它在铜质法兰（红色）上为正，在锌质螺母和螺栓（浅蓝色）和铝质法兰（深蓝色）上为负，这表明在该模型中，相对于更贵重的铜材料，其他材料更容易腐蚀。
母线中的电位分布（左）。金属上的电解质电位与电解质薄层电位差异（右）。
现在，让我们看一下电解质薄层中的电位变化，其结果如下图所示。通过查看母线板上电解质薄层上的电位变化情况，您可以了解在阳极和阴极区域可能发生反应的位置。
母线板表面的电解质薄层上的电位分布。
研究阳极/金属溶解反应
要分析金属溶解反应，可以从密度变化的局部电流开始。如下图所示，该反应主要发生在铜质法兰与锌质螺栓（在锌表面）的交点处，也发生在铝表面的铜法兰和铝法兰之间。这些结果表明，正如预期的那样，局部腐蚀区域发生在两种不同的金属以及“非贵重”金属之间。
母线板外表面上金属溶解电极反应的局部电流密度。
研究阴极/氧反应
在阴极反应的结果中可以看到：氧还原反应发生在铝和锌的表面上。很明显，氧气的输运限制了腐蚀过程，因为局部氧还原电流密度的大小接近极限电流密度。
氧还原电极在母线板外表面的局部电流密度。
在研究了腐蚀过程并弄清楚每种类型的反应可能发生的位置之后，工程师们可以在考虑各种环境条件的情况下，设计能够更好地防止大气腐蚀的母线板。
下一步
如果你想自己模拟大气腐蚀过程，可以单击下面的按钮尝试此处介绍的母线模型。这样做将带您进入案例库中，其中包含此示例的文档以及相关的 MPH 文件（您需要有效的软件许可证才能下载此文件）。
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