Dalam bidang sains dan kejuruteraan bahan, istilah kakisan, pengoksidaan, dan karat sering digunakan secara bergantian. Walau bagaimanapun, proses -proses ini, walaupun berkaitan, mempunyai ciri -ciri dan kesan yang berbeza. Memahami perbezaan mereka adalah penting untuk industri dari pembinaan ke aeroangkasa, kerana fenomena ini dapat mempengaruhi panjang umur dan keselamatan bahan dan struktur.
Apa itu kakisan?
Kakisan adalah kemerosotan bahan secara beransur -ansur, biasanya logam, disebabkan oleh tindak balas kimia atau elektrokimia. Ia melemahkan bahan dan mempengaruhi integriti strukturnya. Kakisan boleh menyebabkan kegagalan jika dibiarkan tidak terkawal.
Kemerosotan sifat bahan
Apabila kakisan berlaku, ia mengubah sifat fizikal bahan. Ini termasuk kekuatan, penampilan, dan juga kekonduksian. Reaksi elektrokimia antara logam dan persekitarannya menyebabkan kemerosotan ini.
Jenis kakisan
Kakisan tidak sama dalam setiap senario. Persekitaran dan bahan yang berbeza membawa kepada pelbagai bentuk kakisan. Berikut adalah beberapa jenis biasa:
Serangan seragam : Ini adalah bentuk kakisan yang paling biasa. Ia berlaku apabila seluruh permukaan bahan terdedah kepada persekitaran yang mengakis, mengakibatkan kemerosotan.
Kakisan Galvanik : Jenis kakisan ini berlaku apabila dua logam yang berbeza bersentuhan antara satu sama lain dengan kehadiran elektrolit. Logam yang kurang mulia menjadi anod dan corrodes lebih cepat.
ecell = e⁰cathode - e⁰anode - (rt/nf) ln ([ox]/[merah])
ECELL = Potensi sel, E0 = Potensi elektrod standard, R = pemalar gas, T = suhu, n = bilangan elektron yang dipindahkan, dan F adalah pemalar Faraday.
Crevice Corrosion : Ia berlaku di ruang terkurung di mana persekitaran yang menghakis lebih teruk daripada kawasan sekitarnya. Ruang ini, atau celah, boleh dibentuk dengan reka bentuk atau oleh pengumpulan serpihan.
Kadar kakisan ∝ [Cl-] e (-ΔG/RT)
Dalam persamaan ini, ΔG adalah perubahan dalam tenaga bebas Gibbs, r adalah pemalar gas, dan t adalah suhu.
Pitting : Ini adalah bentuk kakisan setempat yang mengakibatkan lubang kecil atau lubang di permukaan logam. Ia boleh menjadi sukar untuk mengesan dan boleh menyebabkan kegagalan pesat.
Kakisan intergranular : jenis kakisan ini berlaku di sepanjang sempadan bijian logam, sering disebabkan oleh pemendakan kekotoran atau pembentukan fasa yang berbeza.
Kakisan hakisan : Ia berlaku apabila cecair menghakis bergerak ke atas permukaan logam pada halaju yang tinggi, menyebabkan kedua -dua memakai mekanikal dan kemerosotan kimia.
Tekanan Kakisan Retak : Ini berlaku apabila logam tertakluk kepada kedua -dua tegangan tegangan dan persekitaran yang menghakis, yang membawa kepada pembentukan dan penyebaran retak.
Leaching Selektif : Jenis kakisan ini melibatkan penyingkiran selektif satu elemen dari aloi, meninggalkan struktur yang lemah dan berliang.
Bahan yang terjejas oleh kakisan
Kakisan tidak hanya menjejaskan logam. Bahan lain juga boleh merendahkan:
Logam : Besi, aluminium, tembaga, dan aloi mereka paling terjejas oleh kakisan.
Seramik : Walaupun kurang biasa, seramik dapat merendahkan tindak balas kimia dengan persekitaran mereka.
Polimer : Daripada menghancurkan, polimer merendahkan. Kelemahan ini boleh menyebabkan retak, warping, atau perubahan warna.
Apakah pengoksidaan?
Pengoksidaan adalah proses kimia di mana bahan kehilangan elektron, biasanya bertindak balas dengan oksigen. Ia adalah sebahagian daripada kimia sehari -hari, sering menyebabkan perubahan yang kelihatan seperti warna atau tekstur.
Proses kimia yang melibatkan kehilangan elektron
Dalam pengoksidaan, bahan menyerahkan elektron kepada yang lain. Oksigen biasanya bahan yang menerima mereka. Reaksi ini boleh berlaku dalam kedua -dua bahan organik dan bukan organik, mengubah sifat mereka. Reaksi pengoksidaan umum boleh diwakili sebagai:
m → m ⁻ + e⁻
Di sini, 'M ' mewakili bahan (sering logam) kehilangan elektron, menjadi ion yang dikenakan positif (M⁺).
Contoh pengoksidaan dalam kehidupan seharian
Pengoksidaan mempengaruhi bahan yang kami gunakan setiap hari. Berikut adalah beberapa contoh biasa:
Rusting besi dan keluli : Apabila besi bertindak balas dengan oksigen dan kelembapan, ia membentuk karat. Persamaan kimia untuk pembentukan karat ialah:
4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4FE (OH) ₃
Lapisan coklat kemerahan ini melemahkan logam.
Menggoda perak : Perak bertindak balas dengan sebatian sulfur di udara, membentuk sulfida perak. Persamaan kimia ialah:
2Ag + H₂s → Ag₂s + H₂
Lapisan hitam ini membosankan bersinar perhiasan perak atau alat makan.
Pengoksidaan dalam bahan organik
Pengoksidaan juga berlaku dalam organisma hidup. Tetapi tidak seperti logam, kesannya boleh memberi manfaat:
Meningkatkan metabolisme : Di dalam badan kita, pengoksidaan membantu membakar makanan untuk tenaga, mempercepatkan metabolisme.
Risiko kanser yang lebih rendah : Proses pengoksidaan tertentu dalam sel membantu mencegah penyebaran radikal bebas yang berbahaya, yang dapat menurunkan risiko kanser.
Apa itu karat?
Karat adalah jenis kakisan tertentu yang mempengaruhi besi dan aloinya, seperti keluli. Ia dicirikan oleh warna coklat kemerahan dan tekstur yang licin.
Bentuk kakisan ini berlaku apabila besi terdedah kepada kelembapan dan oksigen. Proses pembentukan karat melibatkan beberapa langkah:
Reaksi pengoksidaan : Besi kehilangan elektron dan bertindak balas dengan oksigen dengan kehadiran air untuk membentuk ion besi (II).
Fe → Fe⊃2; ⁺ + 2e⁻
Pembentukan hidroksida besi : Fe⊃2; ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺ ⁺
Fe⊃2; ⁺ + 2h₂o + o₂ → Fe (OH) ₂
Pengoksidaan besi hidroksida : besi (ii) hidroksida selanjutnya mengoksida untuk membentuk besi (iii) hidroksida.
4fe (OH) ₂ + o₂ + 2H₂O → 4FE (OH) ₃
Pembentukan karat : besi (iii) hidroksida dehidrat untuk membentuk besi (iii) oksida-hidroksida, yang biasanya dikenali sebagai karat. Karat ini adalah campuran kompleks oksida besi dan hidroksida.
4fe (oh) ₂ → fe₂o₃ · 3h₂o
Beberapa syarat boleh menggalakkan pembentukan karat:
Kehadiran kelembapan : Air bertindak sebagai elektrolit, membolehkan tindak balas pengurangan pengoksidaan yang diperlukan untuk berkarat. Kelembapan yang tinggi atau pendedahan langsung kepada hujan dapat mempercepatkan proses.
Pendedahan kepada oksigen dan elektrolit : Oksigen adalah penting untuk pembentukan karat. Kawasan yang mempunyai pengudaraan yang baik atau kepekatan oksigen yang tinggi lebih mudah berkarat. Garam dan asid juga boleh meningkatkan aktiviti elektrokimia logam, mempercepatkan proses berkarat.
Faktor Alam Sekitar : Suhu memainkan peranan dalam pembentukan karat. Suhu yang lebih tinggi dapat meningkatkan kadar tindak balas kimia, yang membawa kepada karat lebih cepat. Pencemaran permukaan seperti kotoran atau minyak boleh menjebak kelembapan terhadap permukaan logam, mewujudkan kawasan setempat yang terdedah kepada karat.
Perbezaan antara kakisan, pengoksidaan, dan karat
| aspek | karat | pengoksidaan | karat |
| Definisi | Kemusnahan bahan yang disebabkan oleh tindak balas kimia atau elektrokimia dengan persekitaran | Proses kimia di mana bahan kehilangan elektron, sering melibatkan oksigen | Bentuk kakisan khusus yang mempengaruhi aloi besi dan besi |
| Skop | Istilah yang paling luas, merangkumi pelbagai bentuk kemusnahan bahan | Jenis tindak balas kimia tertentu | Produk pengoksidaan besi khusus |
| Bahan yang terjejas | Pelbagai bahan termasuk logam, seramik, dan polimer | Kedua -dua bahan organik dan bukan organik | Khususnya besi dan aloi |
| Faktor Alam Sekitar | Memerlukan elektrolit | Memerlukan oksigen atau ejen pengoksidaan yang lain | Memerlukan kedua -dua oksigen dan kelembapan |
| Produk | Boleh mengakibatkan pelbagai sebatian | Menghasilkan oksida | Membentuk oksida besi dan hidroksida |
| Proses kimia | Sering melibatkan pemindahan elektron antara bahan dan persekitaran | Kehilangan elektron, selalunya untuk oksigen | Besi bertindak balas dengan oksigen dan air |
| Penampilan | Pelbagai bentuk (misalnya, pitting, skala) | Boleh kelihatan atau tidak kelihatan bergantung pada bahan | Warna kemerahan-coklat yang tersendiri |
| Kesan | Biasanya memudaratkan sifat bahan | Boleh bermanfaat (contohnya, lapisan pelindung) atau berbahaya | Sentiasa berbahaya kepada bahan berasaskan besi |
| Kesan ekonomi | Ketara merentasi pelbagai industri | Berbeza bergantung pada konteks | Besar dalam industri penggunaan besi |
Kesan kakisan, pengoksidaan, dan karat
Kakisan, pengoksidaan, dan karat mempunyai akibat yang meluas yang melampaui kemerosotan bahan. Mereka boleh menyebabkan kerugian ekonomi yang ketara, menimbulkan risiko keselamatan, dan bahkan membahayakan alam sekitar.
Akibat ekonomi
Kos yang berkaitan dengan kakisan, pengoksidaan, dan karat mengejutkan. Menurut satu kajian oleh NACE International, kos korosi global dianggarkan $ 2.5 trilion setiap tahun, yang bersamaan dengan 3.4% daripada KDNK dunia.
Kos ini termasuk:
Kos langsung menggantikan atau membaiki bahan dan struktur yang berkarat
Kos tidak langsung seperti kehilangan pengeluaran, kerosakan alam sekitar, dan litigasi
Kos Penyelenggaraan untuk Pencegahan dan Langkah Kawalan Kakisan
Industri yang paling terjejas oleh kakisan termasuk:
Minyak dan gas
Pengangkutan (automotif, aeroangkasa, kereta api, dan marin)
Infrastruktur (jambatan, saluran paip, dan bangunan)
Kilang pembuatan dan pemprosesan
Kebimbangan keselamatan
Kakisan, pengoksidaan, dan karat boleh menjejaskan integriti struktur bangunan, kenderaan, dan infrastruktur. Kemerosotan ini boleh menyebabkan kegagalan bencana, meletakkan nyawa berisiko.
Beberapa contoh bahaya keselamatan yang disebabkan oleh kakisan termasuk:
Keruntuhan jambatan atau bangunan akibat bantuan keluli yang lemah
Kegagalan saluran paip, yang membawa kepada tumpahan minyak atau kebocoran gas
Memalsukan komponen kritikal dalam pesawat atau kenderaan
Pencemaran air minuman dari paip berkarat
Implikasi alam sekitar
Kakisan, pengoksidaan, dan karat juga boleh mempunyai akibat alam sekitar yang signifikan. Apabila struktur berkarat gagal, mereka boleh melepaskan bahan berbahaya ke dalam alam sekitar.
Contohnya:
Tangki simpanan berkarat boleh membocorkan bahan kimia atau produk petroleum, mencemarkan tanah dan air bawah tanah
Sisa logam berkarat boleh melepaskan logam berat ke dalam ekosistem
Degradasi infrastruktur boleh menyebabkan ketidakcekapan, meningkatkan pelepasan gas rumah hijau
Strategi pencegahan dan mitigasi
Mencegah dan mengurangkan kakisan, pengoksidaan, dan karat memerlukan pendekatan pelbagai aspek. Ini melibatkan pemilihan bahan yang teliti, pertimbangan reka bentuk, rawatan perlindungan, kawalan alam sekitar, dan pemantauan tetap.
Pemilihan dan Reka Bentuk Bahan
Salah satu cara yang paling berkesan untuk mencegah kakisan adalah dengan menggunakan bahan -bahan yang sememangnya tahan terhadapnya. Beberapa contoh aloi tahan karat termasuk:
Bahan -bahan ini membentuk lapisan oksida pelindung di permukaannya, yang membantu mencegah kakisan lebih lanjut.
Reka bentuk juga memainkan peranan penting dalam meminimumkan kakisan. Jurutera harus:
Elakkan sudut tajam dan celah di mana bahan -bahan yang menghakis dapat dikumpulkan
Pastikan saliran yang betul untuk mengelakkan air berdiri
Gunakan sendi dikimpal dan bukannya sambungan lusta atau rivet apabila mungkin
Salutan dan rawatan pelindung
Memohon lapisan pelindung dan rawatan ke permukaan bahan boleh membantu mencegah kakisan. Beberapa kaedah biasa termasuk:
Cat dan Minyak : Ini mewujudkan halangan antara logam dan alam sekitar, menghalang pendedahan kepada agen -agen yang menghakis.
Galvanizing : Ini melibatkan besi salutan atau keluli dengan lapisan zink, yang mengorbankan koroden untuk melindungi logam yang mendasari.
Electroplating : Ia mendepositkan lapisan nipis logam tahan karat, seperti kromium atau nikel, ke permukaan logam lain.
Anodizing : Proses ini mewujudkan lapisan oksida yang tebal dan pelindung pada permukaan logam seperti aluminium.
Passivation : Ia melibatkan merawat permukaan logam dengan penyelesaian kimia untuk meningkatkan pembentukan lapisan oksida pelindung.
Kawalan Alam Sekitar
Mengawal alam sekitar dapat membantu meminimumkan pendedahan kepada agen -agen yang menghakis. Beberapa strategi termasuk:
Mengekalkan tahap kelembapan yang rendah untuk mengurangkan kelembapan di udara
Mengawal suhu untuk mengelakkan turun naik yang melampau yang dapat mempercepatkan kakisan
Menggunakan dehumidifier, penghawa dingin, atau pemanas untuk mengawal persekitaran
Menyimpan bahan di kawasan kering dan berventilasi jauh dari bahan yang menghakis
Pemantauan dan Pemeriksaan Kakisan
Pemantauan dan pemeriksaan yang kerap dapat membantu mengesan kakisan awal, yang membolehkan campur tangan tepat pada masanya. Ini melibatkan:
Memeriksa permukaan secara visual untuk tanda -tanda kakisan, seperti perubahan warna, pitting, atau flaking
Menggunakan kaedah ujian yang tidak merosakkan, seperti pengukuran ketebalan ultrasonik atau radiografi, untuk menilai sejauh mana kakisan tanpa merosakkan bahan
Menjaga rekod terperinci hasil pemeriksaan untuk mengesan perkembangan kakisan dari masa ke masa
Kemajuan dalam pencegahan dan teknologi kakisan
Apabila pertempuran terhadap kakisan berterusan, penyelidik dan jurutera sedang membangunkan penyelesaian inovatif untuk mencegah dan mengurangkan kesannya. Kemajuan ini terdiri daripada salutan berprestasi tinggi ke sistem pemantauan masa nyata dan bahan novel.
Pembangunan lapisan berprestasi tinggi
Satu bidang kemajuan yang ketara ialah pembangunan lapisan pelindung maju. Lapisan ini memberikan ketahanan yang lebih baik kepada kakisan, haus, dan serangan kimia. Beberapa contoh penting termasuk:
Epoxy dan Polyurethane Coatings : Ini menawarkan lekatan, ketahanan, dan ketahanan yang sangat baik terhadap kelembapan dan bahan kimia. Mereka digunakan secara meluas dalam aplikasi perindustrian dan marin.
Lapisan Fluoropolymer : Dikenali dengan rintangan kimia yang luar biasa dan sifat geseran yang rendah, lapisan fluoropolimer, seperti PTFE (Teflon), sangat sesuai untuk persekitaran yang keras.
Salutan penyembuhan diri yang diilhamkan Bio : Lapisan inovatif ini meniru sifat penyembuhan diri organisma hidup. Mereka mengandungi kapsul mikroskopik yang dipenuhi dengan agen penyembuhan yang dilepaskan apabila salutan rosak, membolehkannya membaiki dirinya sendiri.
Perlindungan Katodik dan Teknologi Inhibitor Kakisan
Perlindungan katodik adalah kaedah yang mantap untuk mencegah kakisan dalam struktur logam. Ia melibatkan penggunaan arus elektrik kecil ke logam, menjadikannya katod dalam sel elektrokimia. Ini menghalang logam daripada menghancurkan.
Inhibitor kakisan adalah bahan yang, apabila ditambah ke persekitaran yang menghakis, mengurangkan kadar kakisan. Mereka bekerja dengan membentuk filem pelindung di permukaan logam atau dengan mengubah suai kimia alam sekitar.
Kemajuan terkini dalam teknologi ini termasuk:
Sistem perlindungan katodik semasa yang terkesan yang menggunakan kuasa solar atau sumber tenaga boleh diperbaharui lain
Inhibitor kakisan organik yang diperolehi daripada ekstrak tumbuhan dan sumber-sumber mesra alam
Salutan pintar yang menggabungkan perencat kakisan dan melepaskannya apabila diperlukan
Pemantauan kakisan masa nyata dan sistem amaran awal
Mengesan kakisan awal adalah penting untuk mencegah kegagalan bencana. Sistem pemantauan masa nyata menggunakan sensor untuk terus mengukur pelbagai parameter yang berkaitan dengan kakisan, seperti:
Sistem ini boleh memberi amaran kepada pengendali apabila kadar kakisan melebihi tahap yang boleh diterima, yang membolehkan campur tangan tepat pada masanya. Sesetengah sistem lanjutan juga menggunakan algoritma pembelajaran mesin untuk meramalkan kadar kakisan berdasarkan data sejarah.
Bahan dan teknik baru untuk pencegahan kakisan dalam persekitaran laut
Persekitaran marin amat mencabar ketika datang ke pencegahan kakisan. Gabungan air masin, fouling biologi, dan tekanan mekanikal dapat merendahkan bahan -bahan yang paling mantap.
Penyelidik sedang membangunkan bahan dan teknik baru untuk menangani cabaran -cabaran ini, seperti:
Aloi tahan kakisan yang mengandungi tahap tinggi kromium, nikel, dan molibdenum
Bahan komposit yang menggabungkan kekuatan logam dengan rintangan kakisan polimer
Salutan nanostructured yang mewujudkan permukaan super hidrofobik, mencegah air dan bahan-bahan lain yang menghakis dari mematuhi logam
Kaedah kawalan kakisan elektrokimia, seperti perlindungan katodik semasa yang terkesan dan anod pengorbanan
Kesimpulan
Kakisan, pengoksidaan, dan karat adalah berkaitan tetapi proses yang berbeza yang boleh memberi kesan kepada bahan dan struktur yang ketara. Walaupun pengoksidaan adalah tindak balas kimia yang luas, kakisan khusus merendahkan bahan, dan karat hanya memberi kesan kepada besi dan aloinya.
Memahami perbezaan ini adalah penting untuk mengekalkan keselamatan dan umur panjang pelbagai aset. Penyelidikan berterusan dalam sains kakisan bertujuan untuk membangunkan strategi dan teknologi pencegahan baru untuk memerangi cabaran -cabaran yang berterusan ini.
