神秘的“磁化學腐蝕”
2021-07-02 13:24:01
作者：凌思純，呂戰鵬 來源： 腐蝕與防護
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凌思純，呂戰鵬
（上海大學 材料科學與工程學院材料研究所，上海 200072 ）
提起腐蝕這一常遇到的現象，大家可能首先會想到電場，會想到電位的影響。經典的腐蝕科學理論里，腐蝕發生與發展的電化學機理是核心，我們常常會提到“電化學腐蝕”。與電場相似，磁場雖然也是無處不在，然而“磁化學腐蝕”卻鮮為人知。在這里，我們會介紹關于磁場對金屬腐蝕的影響的種種知識，還有“磁化學腐蝕”這個“新鮮詞”。
磁場，無處不在；磁現象，紛繁復雜。地球是我們的母星，是上百萬生物的家園；地磁場，是指地球內部存在的磁性現象。我們生活在地磁場中，地磁場強度為0.5-0.6高斯，也就是50-60μT，地磁場對生存在地球上的生物有潛移默化的影響：人類每時每刻都在接受宇宙微波的能量，宇宙中有很多對人體有害的射線，這些射線經過地球磁場會發生偏轉，使得許多射線不能到達地球表面，于是生命能夠存在與繁衍。恒星（如太陽），星系（如銀河系），行星、衛星，以及星際空間和星系際空間，也都會存在著磁場[1]。很久以前，人類就已知道磁石和其獨特的磁性。公元前600年前后，古希臘哲學家泰勒斯發現“磁石有靈”，即磁石有牽引鐵屑的能力[2]，兩者之間的相互作用是“以磁為媒”，兩者不需要接觸就能產生“火花”。1820年丹麥物理學家漢斯·奧斯特發現了電流的磁效應，即任何通有電流的導線，都可以在其周圍產生磁場，自此電磁學的時代來臨。奧斯特的發現驚動了整個歐洲，以科學上極為敏感、特別能接受他人成果而著稱的安培對此進一步實驗，從而提出了安培定律，又稱右手螺旋定則，表示了電流和電流激發磁場的磁感線方向間關系，即：假設用右手握住通電導線，大拇指指向電流方向，那么彎曲的四指就表示導線周圍的磁場方向；假設用右手握住通電螺線管，彎曲的四指指向電流方向，那么大拇指的指向就是通電螺線管內部的磁場方向[1,3]。英國科學家法拉第發現閉合電路的一部分導體做切割磁感線運動時，在導體上就會產生電流的現象叫電磁感應現象，產生的電流叫做感應電流，這也是發電機制成的原理。電磁感應現象的發現，是電磁學領域中最偉大的成就之一。它不僅揭示了電與磁之間的內在聯系，而且為電與磁之間的相互轉化奠定了實驗基礎，為人類獲取巨大而廉價的電能開辟了道路，對實際應用有著重大意義[3]。電磁感應現象的發現對當時的工業社會產生了巨大的影響，極大地促進了社會生產力，也標志著一場重大的工業和技術革命的到來。
只要有電流產生，就有感應磁場存在。直流電誘導產生直流磁場，交流電誘導產生交變磁場。發電機就是利用“磁生電”原理，通過能量轉換，將其他形式的能源轉換為電能；電動機則與之相反，將電能轉化為機械能。磁電相生是自然科學中的基本規律。在日常生活中，很多生活與工業裝置周圍都能產生磁場，發電機與電動機就是其中之一，甚至在人體內，伴隨著生命活動，一些組織和器官內也會產生微弱的磁場[4]。隨處可見的輸電線路，可以將電能長距離傳輸，其中通過大電流的輸電線周圍會產生強磁場。在軌道交通中擔任重要角色的地鐵和高鐵，產生的雜散電流會產生雜散磁場，新型交通工具磁懸浮列車更是磁場與運動設備緊密結合的典型范例，見圖1。
圖1. 自然界和工業界中的磁場與設備示意圖
那么，磁場究竟會如何影響金屬的腐蝕呢？我們先了解一下“電化學腐蝕”規律，以及著名的“洛倫茲定律”。腐蝕金屬與水溶液的界面上發生電化學反應，腐蝕電化學的基本原理在腐蝕科學的專著中已有深入和詳盡的描述[5]。對于不同的腐蝕金屬/環境體系，依電位不同，電子轉移過程和物質傳輸過程會獨自或者共同影響金屬腐蝕過程與速率。比如，鐵在稀硫酸或者稀鹽酸溶液中的腐蝕速率就被認為是由氫離子還原反應電子轉移過程所控制[6-8]，而鐵在含溶解氧中性氯化鈉溶液中的腐蝕速率會受界面擴散層中氧氣的傳輸過程的影響。還有一些腐蝕/金屬體系，反應物離子濃度到達金屬表面的過程或者反應生成離子離開金屬表面的過程成為腐蝕速率控制步驟，磁場如果對這些離子在金屬/溶液界面層的傳質過程產生影響，就會影響這些體系的金屬腐蝕過程與速率[9-11]，見圖2。
圖2. 磁場影響腐蝕金屬電極過程的磁流體動力學機理示意圖
荷蘭物理學家洛倫茲于1895年提出磁場對運動電荷有作用力的洛倫茲力定律，并被大量實驗結果所證實。洛倫茲力F（Lorentz force）是運動于磁場中的帶電粒子所受的力，F=QvB（F是洛倫茲力，Q是帶電粒子的電荷量，v是帶電粒子的速度，B是磁感應強度，公式中為矢量積）。如果電場E和磁場B并存，則有F=Q（E+vB）。磁流體動力學是研究等離子體等導流體與電磁場的相互作用的學科，相關磁流體力學的基本方程是流體力學中的納維-斯托克斯方程和電動力學中的麥克斯韋方程組，由瑞典物理學家漢尼斯·阿爾文創立并因此獲得1970年的諾貝爾物理學獎。具體到電化學體系，磁流體動力學一般是指磁場對溶液中運動的帶電荷粒子施加洛倫茲力引起的“擾動”疊加。如果某一金屬體系的金屬/溶液界面層中電化學活性粒子的傳質過程影響金屬腐蝕的速率，那么可以預期磁場會通過磁流體動力學機理影響這一體系的腐蝕。在不均勻磁場作用下，或者說是存在磁場梯度時，磁場梯度力（也可稱為開爾文力）會疊加于溶液中順磁性粒子的運動而影響電極過程。除了上述的洛倫茲力和開爾文力，磁場還可能通過疊加順磁力、電動力和磁阻尼力等方式影響電化學腐蝕過程。
已有磁場影響金屬腐蝕的報道，例如磁場作用下鋁在氯化鈉溶液中的腐蝕受到抑制[9]，磁場作用下鈦在流動硫酸溶液中的腐蝕速率增加[12]，銅在含氧化劑溶液中的腐蝕速率與磁場強度之間的復雜相關性[13]。國內外研究者，包括本文作者之一曾對磁場影響腐蝕金屬體系電極電化學反應開展了一系列研究[6-8,13-16]。已發現磁場會通過磁流體動力學機理影響鐵在多種腐蝕性溶液中的電化學過程，包括陽極溶解-鈍化-過鈍化等陽極反應，以及高價鐵離子還原、氫離子還原等陰極反應，磁場作用下鐵電極表面出現的不均勻溶解，磁場對鐵點腐蝕會產生抑制作用。也有報道磁場梯度力會影響鐵在活性溶解區域的陽極溶解[14]。磁場會對局部腐蝕產生顯著影響已有報道[8,16]。這些結果證實了磁場對金屬腐蝕的一些關鍵電極過程的影響并提出了相關的機理，這可以歸納為“磁化學腐蝕”現象，或者是“磁電化學腐蝕”現象。
雖然已有不少有關磁場影響金屬腐蝕的實驗室結果的報道，目前鮮有有關磁場導致金屬構件腐蝕失效的現場實例報道。一般來說，腐蝕失效是多種因素共同作用的結果，可以是均勻腐蝕也可以是局部腐蝕的作用結果。電場很容易通過電表等儀表進行感知，但感知磁場卻要困難得多，比如需用特斯拉計等專用探頭，再者磁場對腐蝕的影響也可能不是即時顯現的，換句話說，會表現出“磁場影響滯后效應”，磁場作為影響金屬腐蝕的隱形“殺手”或“幫兇”往往不易被察覺。開展基礎研究，掌握基本規律，加強理論與實踐的聯系，就會對“磁化學腐蝕”機理及實際作用有更多的了解。
在生命系統中，信鴿歸巢、候鳥在棲息地間的遠距離遷徙、海龜洄游等已為人們所熟知。蜜蜂能采蜜后回巢，靠的就是蜜蜂腹部的磁性體，在地磁場的作用下，它相當于蜜蜂的“指南針”，幫助蜜蜂定位和導航；磁場可以降低血液的粘度，降低血栓的形成，對預防心、腦血管疾病的預防和治療，有著重要的臨床意義[1,4]。這些例子表明，磁場雖難以感知，但是真實存在，并在工業和生活中發揮著重要的作用。因此，研究磁場對腐蝕的影響，分析其作用機理，對工程應用有著重要的實際意義。宇宙浩瀚，人類利用人造衛星和宇宙飛船等飛行器探索空間的奧秘，而宇宙空間中強磁場的存在并非罕見，加之空間環境的復雜性，提示我們在邁向太空的步伐中，磁場與環境的共同作用也許會影響到空間材料的安全可靠性。
磁電相生常相隨：我們在分析“電化學腐蝕”現象、探索腐蝕控制因素的時候，也別忽視了磁場可能的“推波助瀾”的作用。探究磁場作用下金屬腐蝕過程的變化規律，揭開神秘“磁化學腐蝕”的面紗，就能對這些特殊而又普遍的自然環境和工業環境下材料的服役可靠性進行預測，提高安全可靠性。正如以往人類社會對磁場多種功能的積極和廣泛利用，利用磁場減緩腐蝕有可能成為一種重要的“磁電化學保護”新途徑。
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