Ym maes gwyddoniaeth faterol a pheirianneg, mae'r termau cyrydiad, ocsidiad a rhwd yn aml yn cael eu defnyddio'n gyfnewidiol. Fodd bynnag, mae gan y prosesau hyn, er eu bod yn gysylltiedig, nodweddion ac effeithiau gwahanol. Mae deall eu gwahaniaethau yn hanfodol ar gyfer diwydiannau sy'n amrywio o adeiladu i awyrofod, oherwydd gall y ffenomenau hyn effeithio'n sylweddol ar hirhoedledd a diogelwch deunyddiau a strwythurau.
Beth yw cyrydiad?
Cyrydiad yw diraddiad graddol deunyddiau, metelau fel arfer, a achosir gan adweithiau cemegol neu electrocemegol. Mae'n gwanhau'r deunydd ac yn effeithio ar ei gyfanrwydd strwythurol. Gall cyrydiad arwain at fethiant os caiff ei adael heb ei wirio.
Diraddio priodweddau materol
Pan fydd cyrydiad yn digwydd, mae'n newid priodweddau ffisegol y deunydd. Mae hyn yn cynnwys cryfder, ymddangosiad, a hyd yn oed dargludedd. Mae adweithiau electrocemegol rhwng y metel a'i amgylchedd yn achosi'r diraddiad hwn.
Mathau o gyrydiad
Nid yw cyrydiad yr un peth ym mhob senario. Mae gwahanol amgylcheddau a deunyddiau yn arwain at wahanol fathau o gyrydiad. Isod mae rhai mathau cyffredin:
Ymosodiad unffurf : Dyma'r math mwyaf cyffredin o gyrydiad. Mae'n digwydd pan fydd wyneb cyfan deunydd yn agored i amgylchedd cyrydol, gan arwain at ddirywiad hyd yn oed.
Cyrydiad Galfanig : Mae'r math hwn o gyrydiad yn digwydd pan fydd dau fetel annhebyg mewn cysylltiad â'i gilydd ym mhresenoldeb electrolyt. Mae'r metel llai bonheddig yn dod yn anod ac yn cyrydu'n gyflymach.
ECELL = E⁰Cathode - E⁰anode - (rt/nf) ln ([ych]/[coch])
ECELL = Potensial celloedd, E0 = Potensial electrod safonol, r = cyson nwy, t = tymheredd, n = nifer yr electronau a drosglwyddir, ac f yw'r cysonyn faraday.
Cyrydiad agen : Mae'n digwydd mewn lleoedd cyfyng lle mae'r amgylchedd cyrydol yn fwy difrifol na'r ardal gyfagos. Gellir ffurfio'r lleoedd hyn, neu'r agennau, trwy ddyluniad neu trwy gronni malurion.
Cyfradd cyrydiad ∝ [cl–] e (-∆g/rt)
Yn yr hafaliad hwn, ΔG yw'r newid yn egni rhydd Gibbs, r yw'r cysonyn nwy, a t yw'r tymheredd.
Pitting : Mae hwn yn fath lleol o gyrydiad sy'n arwain at dyllau bach neu byllau ar wyneb metel. Gall fod yn anodd ei ganfod a gall arwain at fethiant cyflym.
Cyrydiad rhyngranbarthol : Mae'r math hwn o gyrydiad yn digwydd ar hyd ffiniau grawn metel, yn aml oherwydd dyodiad amhureddau neu ffurfio gwahanol gyfnodau.
Cyrydiad erydiad : Mae'n digwydd pan fydd hylif cyrydol yn symud dros arwyneb metel ar gyflymder uchel, gan achosi traul mecanyddol a diraddiad cemegol.
Cracio cyrydiad straen : Mae hyn yn digwydd pan fydd metel yn destun straen tynnol ac amgylchedd cyrydol, gan arwain at ffurfio a lluosogi craciau.
LEACHING DETHOL : Mae'r math hwn o gyrydiad yn cynnwys tynnu un elfen o aloi yn ddetholus, gan adael strwythur mandyllog gwan, ar ôl.
Deunyddiau y mae cyrydiad yn effeithio arnynt
Nid yw cyrydiad yn effeithio ar fetelau yn unig. Gall deunyddiau eraill ddiraddio hefyd:
Metelau : Mae cyrydiad yn effeithio fwyaf ar haearn, alwminiwm, copr, a'u aloion.
Cerameg : Er ei fod yn llai cyffredin, gall cerameg ddiraddio trwy adweithiau cemegol â'u hamgylchedd.
Polymerau : Yn lle cyrydu, mae polymerau'n diraddio. Gall y gwanhau hwn arwain at gracio, cynhesu neu afliwio.
Beth yw ocsidiad?
Mae ocsidiad yn broses gemegol lle mae deunydd yn colli electronau, gan ymateb yn nodweddiadol ag ocsigen. Mae'n rhan o gemeg bob dydd, gan arwain yn aml at newidiadau gweladwy fel lliw neu wead.
Proses gemegol sy'n cynnwys colli electronau
Mewn ocsidiad, mae sylwedd yn rhoi'r gorau i electronau i un arall. Ocsigen fel arfer yw'r sylwedd sy'n eu derbyn. Gall yr adwaith hwn ddigwydd mewn deunyddiau organig ac anorganig, gan newid eu priodweddau. Gellir cynrychioli adwaith ocsideiddio cyffredinol fel:
M → M⁺ + E⁻
Yma, mae 'm ' yn cynrychioli'r deunydd (metel yn aml) yn colli electronau, gan ddod yn ïon â gwefr bositif (M⁺).
Enghreifftiau o ocsidiad ym mywyd beunyddiol
Mae ocsidiad yn effeithio ar ddeunyddiau rydyn ni'n eu defnyddio bob dydd. Dyma rai enghreifftiau cyffredin:
Rhydu haearn a dur : Pan fydd haearn yn adweithio ag ocsigen a lleithder, mae'n ffurfio rhwd. Yr hafaliad cemegol ar gyfer ffurfio rhwd yw:
4fe + 3o₂ + 6h₂o → 4fe (OH) ₃
Mae'r haen goch-frown hon yn gwanhau'r metel.
Llwgu Arian : Mae arian yn adweithio â chyfansoddion sylffwr yn yr awyr, gan ffurfio sylffid arian. Yr hafaliad cemegol yw:
2Ag + H₂s → Ag₂s + H₂
Mae'r haen ddu hon yn difetha disgleirio gemwaith arian neu gyllyll a ffyrc.
Ocsidiad mewn deunyddiau organig
Mae ocsidiad hefyd yn digwydd mewn organebau byw. Ond yn wahanol i fetelau, gall yr effeithiau fod yn fuddiol:
Hwb mewn metaboledd : Yn ein cyrff, mae ocsidiad yn helpu i losgi bwyd ar gyfer ynni, gan gyflymu metaboledd.
Risg canser is : Mae rhai prosesau ocsideiddio mewn celloedd yn helpu i atal lledaenu radicalau rhydd niweidiol, a all ostwng risg canser.
Beth yw rhwd?
Mae rhwd yn fath penodol o gyrydiad sy'n effeithio ar haearn a'i aloion, fel dur. Fe'i nodweddir gan liw brown cochlyd a gwead fflachlyd.
Mae'r math hwn o gyrydiad yn digwydd pan fydd haearn yn agored i leithder ac ocsigen. Mae'r broses o ffurfio rhwd yn cynnwys sawl cam:
Adwaith ocsideiddio : Mae haearn yn colli electronau ac yn adweithio ag ocsigen ym mhresenoldeb dŵr i ffurfio ïonau haearn (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Ffurfio haearn hydrocsid : Mae'r ïonau Fe⊃2; ⁺ yn adweithio â dŵr ac ocsigen i ffurfio haearn (II) hydrocsid.
Fe⊃2; ⁺ + 2H₂o + o₂ → Fe (OH) ₂
Ocsidiad haearn hydrocsid : haearn (ii) Mae hydrocsid yn ocsideiddio ymhellach i ffurfio haearn (III) hydrocsid.
4fe (OH) ₂ + O₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Ffurfio rhwd : haearn (iii) dadhydradau hydrocsid i ffurfio haearn (III) ocsid-hydrocsid, a elwir yn gyffredin yn rhwd. Mae'r rhwd hwn yn gymysgedd gymhleth o ocsidau haearn a hydrocsidau.
4fe (OH) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Gall sawl amod hyrwyddo ffurfio rhwd:
Presenoldeb lleithder : Mae dŵr yn gweithredu fel electrolyt, gan alluogi'r adweithiau lleihau ocsidiad sy'n angenrheidiol ar gyfer rhydu. Gall lleithder uchel neu amlygiad uniongyrchol i law gyflymu'r broses.
Amlygiad i ocsigen ac electrolytau : Mae ocsigen yn hanfodol ar gyfer ffurfio rhwd. Mae ardaloedd â awyru da neu grynodiad ocsigen uchel yn fwy tueddol o rhydu. Gall halwynau ac asidau hefyd gynyddu gweithgaredd electrocemegol y metel, gan gyflymu'r broses rhydu.
Ffactorau Amgylcheddol : Mae tymheredd yn chwarae rôl wrth ffurfio rhwd. Gall tymereddau uwch gynyddu cyfraddau adweithiau cemegol, gan arwain at rhydu cyflymach. Gall halogion wyneb fel baw neu olew ddal lleithder yn erbyn yr wyneb metel, gan greu ardaloedd lleol sy'n agored i rwd.
Gwahaniaethau rhwng cyrydiad, ocsidiad, ac
| agwedd rhwd | cyrydiad | ocsidiad | rhwd |
| Diffiniad | Diraddio deunyddiau oherwydd adweithiau cemegol neu electrocemegol gyda'r amgylchedd | Proses gemegol lle mae sylwedd yn colli electronau, yn aml yn cynnwys ocsigen | Math penodol o gyrydiad sy'n effeithio ar aloion haearn a haearn |
| Chwmpas | Y term ehangaf, gan gwmpasu gwahanol fathau o ddiraddio deunydd | Math penodol o adwaith cemegol | Cynnyrch penodol o ocsidiad haearn |
| Deunyddiau yr effeithir arnynt | Deunyddiau amrywiol gan gynnwys metelau, cerameg a pholymerau | Sylweddau organig ac anorganig | Yn benodol haearn a'i aloion |
| Ffactorau Amgylcheddol | Angen electrolyt | Angen ocsigen neu asiant ocsideiddio arall | Angen ocsigen a lleithder |
| Chynhyrchion | Yn gallu arwain at amrywiol gyfansoddion | Yn cynhyrchu ocsidau | Yn ffurfio ocsidau haearn a hydrocsidau |
| Proses Gemegol | Yn aml yn golygu trosglwyddo electronau rhwng deunydd a'r amgylchedd | Colli electronau, yn aml i ocsigen | Mae haearn yn adweithio ag ocsigen a dŵr |
| Ymddangosiad | Ffurfiau amrywiol (ee, pitsio, graddio) | Gall fod yn weladwy neu'n anweledig yn dibynnu ar ddeunydd | Lliw brown cochlyd nodedig |
| Hau | Fel arfer yn niweidiol i briodweddau materol | Gall fod yn fuddiol (ee haenau amddiffynnol) neu'n niweidiol | Bob amser yn niweidiol i ddeunyddiau sy'n seiliedig ar haearn |
| Effaith economaidd | Arwyddocaol ar draws amrywiol ddiwydiannau | Yn amrywio yn dibynnu ar y cyd -destun | Sylweddol mewn diwydiannau sy'n defnyddio haearn |
Effaith cyrydiad, ocsidiad, a rhwd
Mae gan gyrydiad, ocsidiad a rhwd ganlyniadau pellgyrhaeddol sy'n ymestyn y tu hwnt i ddiraddiad deunyddiau. Gallant arwain at golledion economaidd sylweddol, peri risgiau diogelwch, a hyd yn oed niweidio'r amgylchedd.
Canlyniadau economaidd
Mae'r costau sy'n gysylltiedig â chyrydiad, ocsidiad a rhwd yn syfrdanol. Yn ôl astudiaeth gan NACE International, amcangyfrifir bod cost fyd -eang cyrydiad yn $ 2.5 triliwn yn flynyddol, sy'n cyfateb i 3.4% o Gynnyrch Mewnwladol Crynswth y byd.
Mae'r costau hyn yn cynnwys:
Costau uniongyrchol ailosod neu atgyweirio deunyddiau a strwythurau cyrydol
Costau anuniongyrchol fel colli cynhyrchu, difrod amgylcheddol, ac ymgyfreitha
Costau cynnal a chadw ar gyfer atal cyrydiad a mesurau rheoli
Ymhlith y diwydiannau yr effeithir arnynt fwyaf gan gyrydiad mae:
Olew a nwy
Cludo (modurol, awyrofod, rheilffyrdd, a morol)
Seilwaith (pontydd, piblinellau, ac adeiladau)
Gweithfeydd gweithgynhyrchu a phrosesu
Pryderon Diogelwch
Gall cyrydiad, ocsidiad a rhwd gyfaddawdu cyfanrwydd strwythurol adeiladau, cerbydau a seilwaith. Gall y dirywiad hwn arwain at fethiannau trychinebus, gan roi bywydau mewn perygl.
Mae rhai enghreifftiau o beryglon diogelwch a achosir gan gyrydiad yn cynnwys:
Cwympo pontydd neu adeiladau oherwydd atgyfnerthiadau dur gwan
Methiant piblinellau, gan arwain at ollyngiadau olew neu ollyngiadau nwy
Camweithio cydrannau critigol mewn awyrennau neu gerbydau
Halogi dŵr yfed o bibellau cyrydol
Goblygiadau Amgylcheddol
Gall cyrydiad, ocsidiad a rhwd hefyd arwain at ganlyniadau amgylcheddol sylweddol. Pan fydd strwythurau cyrydol yn methu, gallant ryddhau deunyddiau peryglus i'r amgylchedd.
Er enghraifft:
Gall tanciau storio cyrydol ollwng cemegolion neu gynhyrchion petroliwm, gan halogi pridd a dŵr daear
Gall gwastraff metel wedi'i rusted drwytho metelau trwm i'r ecosystem
Gall diraddio seilwaith arwain at aneffeithlonrwydd, gan gynyddu allyriadau nwyon tŷ gwydr
Strategaethau Atal a Lliniaru
Mae angen dull amlochrog ar gyfer atal a lliniaru cyrydiad, ocsidiad a rhwd. Mae hyn yn cynnwys dewis deunydd yn ofalus, ystyriaethau dylunio, triniaethau amddiffynnol, rheolaeth amgylcheddol, a monitro rheolaidd.
Dewis a dylunio deunydd
Un o'r ffyrdd mwyaf effeithiol o atal cyrydiad yw trwy ddefnyddio deunyddiau sy'n gwrthsefyll yn gynhenid. Mae rhai enghreifftiau o aloion sy'n gwrthsefyll cyrydiad yn cynnwys:
Mae'r deunyddiau hyn yn ffurfio haen ocsid amddiffynnol ar eu harwyneb, sy'n helpu i atal cyrydiad pellach.
Mae dyluniad hefyd yn chwarae rhan hanfodol wrth leihau cyrydiad. Dylai peirianwyr:
Osgoi corneli miniog ac agennau lle gall sylweddau cyrydol gronni
Sicrhau draeniad cywir i atal dŵr llonydd
Defnyddio cymalau wedi'u weldio yn lle cysylltiadau wedi'u bolltio neu eu rhybedu pan fo hynny'n bosibl
Haenau a thriniaethau amddiffynnol
Gall rhoi haenau a thriniaethau amddiffynnol ar wyneb deunydd helpu i atal cyrydiad. Mae rhai dulliau cyffredin yn cynnwys:
Paent ac olewau : Mae'r rhain yn creu rhwystr rhwng y metel a'r amgylchedd, gan atal dod i gysylltiad ag asiantau cyrydol.
Galfaneiddio : Mae hyn yn cynnwys cotio haearn neu ddur gyda haen o sinc, sy'n cyrydu'n aberthol i amddiffyn y metel sylfaenol.
Electroplating : Mae'n dyddodi haen denau o fetel sy'n gwrthsefyll cyrydiad mwy, fel cromiwm neu nicel, ar wyneb metel arall.
Anodizing : Mae'r broses hon yn creu haen drwchus, amddiffynnol ocsid ar wyneb metelau fel alwminiwm.
Passivation : Mae'n cynnwys trin wyneb metel â hydoddiant cemegol i wella ffurfio haen ocsid amddiffynnol.
Rheolaeth Amgylcheddol
Gall rheoli'r amgylchedd helpu i leihau amlygiad i gyfryngau cyrydol. Mae rhai strategaethau yn cynnwys:
Cynnal lefelau lleithder isel i leihau lleithder yn yr awyr
Rheoleiddio tymheredd i osgoi amrywiadau eithafol a all gyflymu cyrydiad
Defnyddio dadleithyddion, cyflyryddion aer, neu wresogyddion i reoli'r amgylchedd
Storio deunyddiau mewn ardaloedd sych, wedi'u hawyru'n dda i ffwrdd o sylweddau cyrydol
Monitro ac archwilio cyrydiad
Gall monitro ac archwilio rheolaidd helpu i ganfod cyrydiad yn gynnar, gan ganiatáu ar gyfer ymyrraeth amserol. Mae hyn yn cynnwys:
Arolygu arwynebau yn weledol am arwyddion cyrydiad, megis lliwio, pitsio, neu fflawio
Gan ddefnyddio dulliau profi annistrywiol, megis mesur trwch ultrasonic neu radiograffeg, i asesu maint y cyrydiad heb niweidio'r deunydd
Cadw cofnodion manwl o ganlyniadau arolygu i olrhain dilyniant cyrydiad dros amser
Datblygiadau mewn Atal a Thechnoleg Cyrydiad
Wrth i'r frwydr yn erbyn cyrydiad barhau, mae ymchwilwyr a pheirianwyr yn datblygu atebion arloesol i atal a lliniaru ei effeithiau. Mae'r datblygiadau hyn yn amrywio o haenau perfformiad uchel i systemau monitro amser real a deunyddiau newydd.
Datblygu haenau perfformiad uchel
Un maes o gynnydd sylweddol yw datblygu haenau amddiffynnol datblygedig. Mae'r haenau hyn yn darparu ymwrthedd uwch i gyrydiad, gwisgo ac ymosodiad cemegol. Mae rhai enghreifftiau nodedig yn cynnwys:
Haenau epocsi a polywrethan : Mae'r rhain yn cynnig adlyniad, gwydnwch, a gwrthwynebiad rhagorol i leithder a chemegau. Fe'u defnyddir yn helaeth mewn cymwysiadau diwydiannol a morol.
Haenau fflworopolymer : Yn adnabyddus am eu gwrthiant cemegol eithriadol a'u priodweddau ffrithiant isel, mae haenau fflworopolymer, fel PTFE (Teflon), yn ddelfrydol ar gyfer amgylcheddau garw.
Haenau Hunan-Iechyd Bio-ysbrydoledig : Mae'r haenau arloesol hyn yn dynwared priodweddau hunan-iachaol organebau byw. Maent yn cynnwys capsiwlau microsgopig wedi'u llenwi ag asiantau iachâd sy'n cael eu rhyddhau pan fydd y cotio wedi'i ddifrodi, gan ganiatáu iddo atgyweirio ei hun.
Diogelu Cathodig a Thechnolegau Atalydd Cyrydiad
Mae amddiffyniad cathodig yn ddull sydd wedi'i hen sefydlu ar gyfer atal cyrydiad mewn strwythurau metel. Mae'n cynnwys rhoi cerrynt trydanol bach i'r metel, gan ei wneud y catod mewn cell electrocemegol. Mae hyn yn atal y metel rhag cyrydu.
Mae atalyddion cyrydiad yn sylweddau sydd, o'u hychwanegu at amgylchedd cyrydol, yn gostwng cyfradd y cyrydiad. Maent yn gweithio trwy ffurfio ffilm amddiffynnol ar yr wyneb metel neu trwy addasu cemeg yr amgylchedd.
Mae datblygiadau diweddar yn y technolegau hyn yn cynnwys:
Argraff ar systemau amddiffyn cathodig cyfredol sy'n defnyddio pŵer solar neu ffynonellau ynni adnewyddadwy eraill
Atalyddion cyrydiad organig sy'n deillio o ddarnau planhigion a ffynonellau eco-gyfeillgar eraill
Haenau craff sy'n ymgorffori atalyddion cyrydiad ac yn eu rhyddhau yn ôl yr angen
Monitro cyrydiad amser real a systemau rhybuddio cynnar
Mae canfod cyrydiad yn gynnar yn hanfodol ar gyfer atal methiannau trychinebus. Mae systemau monitro amser real yn defnyddio synwyryddion i fesur paramedrau amrywiol yn barhaus sy'n gysylltiedig â chyrydiad, megis:
Gall y systemau hyn rybuddio gweithredwyr pan fydd cyfraddau cyrydiad yn uwch na lefelau derbyniol, gan ganiatáu ar gyfer ymyrraeth amserol. Mae rhai systemau uwch hyd yn oed yn defnyddio algorithmau dysgu peiriannau i ragweld cyfraddau cyrydiad yn seiliedig ar ddata hanesyddol.
Deunyddiau a thechnegau newydd ar gyfer atal cyrydiad mewn amgylcheddau morol
Mae amgylcheddau morol yn arbennig o heriol o ran atal cyrydiad. Gall y cyfuniad o ddŵr halen, baeddu biolegol a straen mecanyddol ddiraddio hyd yn oed y deunyddiau mwyaf cadarn.
Mae ymchwilwyr yn datblygu deunyddiau a thechnegau newydd i fynd i'r afael â'r heriau hyn, megis:
Aloion sy'n gwrthsefyll cyrydiad sy'n cynnwys lefelau uchel o gromiwm, nicel, a molybdenwm
Deunyddiau cyfansawdd sy'n cyfuno cryfder metelau ag ymwrthedd cyrydiad polymerau
Haenau nanostrwythuredig sy'n creu arwyneb uwch-hydroffobig, gan atal dŵr a sylweddau cyrydol eraill rhag cadw at y metel
Dulliau Rheoli Cyrydiad Electrocemegol, Megis Amddiffyn Cathodig Cyfredol ac Aberthau Aberthol
Nghasgliad
Mae cyrydiad, ocsidiad a rhwd yn brosesau cysylltiedig ond gwahanol a all effeithio'n sylweddol ar ddeunyddiau a strwythurau. Er bod ocsidiad yn adwaith cemegol eang, mae cyrydiad yn diraddio deunyddiau yn benodol, ac mae rhwd yn effeithio ar haearn a'i aloion yn unig.
Mae deall y gwahaniaethau hyn yn hanfodol ar gyfer cynnal diogelwch a hirhoedledd asedau amrywiol. Nod ymchwil barhaus mewn gwyddoniaeth cyrydiad yw datblygu strategaethau a thechnolegau atal newydd i frwydro yn erbyn yr heriau parhaus hyn.
