본문내용
1. 부식의 전기화학적 분석 방법
1.1. 부식의 개념과 종류
1.1.1. 부식의 정의와 원리
부식이란 환경과의 상호작용에 의한 재료의 성질 저하를 말한다. 대부분의 금속(그리고 많은 재료)에서 부식은 불가피하게 일어나는 현상이다. 부식의 근본적인 원인은 시스템의 깁스 자유 에너지 감소에 있다. 대부분의 금속 및 금속으로 만든 엔지니어링 구성품은 에너지를 제공하여 생산되는데, 이로 인해 금속은 천연의 저에너지 산화물 상태로 회복하려는 강한 구동력을 가지게 된다. 이러한 금속의 자연 산화물 상태로의 회복 현상을 부식이라고 한다. 비록 부식은 불가피하지만, 다양한 부식 제어 방법을 통해 부식 진행을 늦출 수 있다."
1.1.2. 산화 부식과 전기화학적 부식
산화 부식은 대기 중에 존재하는 산소가 금속 표면을 침식해 형성되는 금속산화물로, 이러한 금속산화물을 부식산물이라고 한다. 산화 작용은 금속 표면에서 먼저 일어나 금속 이온이 형성되고, 산소는 산소 이온으로 전환되며, 금속 이온은 산소 이온과 결합하여 금속 산화막을 형성하게 된다. 이렇게 형성된 금속 산화막은 일반적으로 네 가지 종류가 있는데, 안정적 막, 불안정 막, 다공성 막, 휘발성 막이 그것이다.
전기화학적 부식은 전도성 액체와 두 개의 서로 다른 금속이 전해액에 부분적으로 담겨있을 때 발생한다. 이 경우 금속의 한 부분은 양극이 되고 나머지 부분은 음극이 된다. 음극 영역에서는 산화반응이 일어나면서 전자가 해방되며, 전도 매체가 산성이거나 용존 산소가 완전히 없을 때는 수소 진화 메커니즘이, 금속이 용존 산소를 가진 중성 용액과 접촉할 때는 산소 흡수 메커니즘이 작용한다. 이러한 전기화학적 부식은 음극 전위성이 높은 금속이 양극 역할을 하고 나머지 부분은 음극 역할을 하면서 발생한다.
1.1.3. 부식의 다양한 형태
부식의 다양한 형태는 균일 부식, 틈새부식, 공식부식, 전기화학적 부식, 침식 부식 등이 있다.
균일 부식은 금속 표면이 전체적으로 균일하게 부식되는 것을 말한다. 이는 가장 일반적인 형태의 부식으로, 금속이 환경과 상호작용하면서 천천히 전반적으로 부식되는 경우이다.
틈새부식은 금속과 다른 금속 혹은 비금속 재료 사이의 틈새에서 발생하는 국부적인 부식이다. 틈새 내부의 환경이 달라져 부식이 가속화되는 경우이다.
공식부식은 금속 표면에 국부적으로 발생하는 깊고 좁은 구멍 형태의 부식이다. 금속 표면의 부동태막이 국부적으로 파괴되면서 발생한다.
전기화학적 부식은 서로 다른 두 금속이 전해질 용액 속에서 접촉할 때 발생하는 갈바닉 전지 형성으로 인한 부식이다. 전위차가 큰 두 금속이 결합하면 전위가 낮은 금속이 우선적으로 부식된다.
침식 부식은 유체의 기계적 작용에 의해 금속 표면이 제거되는 형태의 부식이다. 유체 흐름, 기체 유동, 입자 충돌 등에 의해 발생한다.
이처럼 부식은 매우 다양한 형태로 나타날 수 있으며, 각 형태에 따라 부식 메커니즘과 대응 방법이 달라진다.
1.2. 전위 역학적 편광법
1.2.1. 양극화와 음극화
양극화와 음극화는 전위 역학적 편광법에서 중요한 개념이다. 양극화는 전극의 전위가 양의 방향으로 변화하여 전극이 양극이 되고 전자가 전극에서 이동하는 현상을 말한다. 이때 전류가 양극 방향으로 흐르게 된다.
반면, 음극화는 전극의 전위가 음의 방향으로 변화하여 전극이 음극이 되고 전자가 전극 표면에 추가되는 현상이다. 이때는 전류가 음극 방향으로 흐르게 된다. 음극화와 양극화는 모두 주기적인 방식으로 수행될 수 있는데, 이를 주기적 양극화라고 한다.
주기적 양극화에서는 음극화와 양극화가 번갈아 일어나며, 이를 통해 전극의 전위 변화와 그에 따른 전류 변화를 관찰할 수 있다. 이는 부식 특성을 평가하는 중요한 기법으로 사용된다.
1.2.2. 주기적 양극화
주기적 양극화는 전기화학 분석 방법 중 하나로, 작동 전극의 전위를 주기적으로 변화시키며 전류 응답을 측정하는 기법이다. 이 방법은 양극화와 음극화가 주기적으로 일어나며, 각 방향의 전류 응답을 통해 물질의 산화 및 환원 거동을 분석할 수 있다.
주기적 양극화에서는 작동 전극의 전위가 일정한 전위 범위 내에서 주기적으로 변화하게 된다. 전위가 양의 방향으로 증가하면 양극화가 일어나고, 음의 방향으로 감소하면 음극화가 일어난다. 이러한 주기적 전위 변화에 따른 전류 응답을 측정하여 분석함으로써 물질의 산화 및 환원 거동, 반응 역학, 반응 속도 등을 파악할 수 있다.
주기적 양극화 기법은 전기화학적 부식 분석에서 많이 활용된다. 부식 반응은 복잡한 전기화학적 과정을 거치므로 주기적 양극화를 통해 부식 메커니즘을 규명하고 부식 속도를 평가할 수 있다. 또한 신소재 개발이나 전지 및 배터리 연구 등 다양한 전기화학 분야에서 널리 사용되는 기법이다.
1.3. 타펠 외삽법
1.3.1. 타펠 외삽법의 원리
타펠 외삽법의 원리는 다음과 같다. 타펠 외삽법은 부식률 측정에 널리 사용되는 양극화 방법 중 하나로, 기존의 무게 감소 추정에 비해 더 빠른 실험 기법이다. 양극화 곡선의 타펠 외삽법을 사용하여 얻은 부식속률은 그럼에도 불구하고 무게 감량에 의해 측정된 부식률과 대개 같지 않은 것으로 알려져 있다.
부식에 관련된 수많은 반응이 타펠 방정식을 사용하여 설명될 수 있다는 것은 간단한 전기 화학적 역학의 기초에 따라 혼합 전위 이론을 나타내면서 모든 반응의 역학적 및 열역학에 따른 부식속률과 전위를 예측하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 타펠 외삽법을 이용하면 양극 반응과 음극 반응의 속도 정보를 얻을 수 있으며, 이를 통해 부식 메커니즘을 이해할 수 있다. 또한 이 방법은 부식률을 보다 신속하고 정확하게 측정할 수 있다는 장점이 있다.
1.3.2. 부식률 측정에서의 타펠 외삽법
타펠 외삽법(Tafel extrapolation)은 부식률 측정에 널리 사용되는 양극화 방법 중 하나로, 기존의 무게 감소 추정에 비해 더 빠른 실험 기법이다. 양극화 곡선의 타펠 외삽법을 사용하여 얻은 부식속률은 그럼에도 불구하고 무게 감량에 의해 측정된 부식률과 대개 같지 않은 것으로 알려져 있다.
부식에 관련된 수많은 반응이 타펠 방정식을 사용하여 설명될 수 있다는 것은 간단한 전기 화학적 역학의 기초에 따라 혼합 전위 이론을 나타내면서 모든 반응의 역학적 및 열역학에 따른 부식속률과 전위를 예측하는 것이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서 타펠 외삽법은 부식 반응의 속도론적 및 열역학적 정보를 제공하여 부식 메커니즘 규명에 유용한 분석 기법이다.
그러나 타펠 외삽법으로 측정된 부식속률과 무게 감소법으로 측정된 부식속률 사이에 차이가 있는 이유는 다음과 같다. 첫째, 두 방법은 부식 메커니즘과 운동학적 매개변수를 다르게 가정하기 때문이다. 둘째, 무게 감소법은 실제 부식 과정에서 발생하는 물질 손실을 직접 측정하지만, ...
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