接地系統(tǒng)在電力網(wǎng)絡中發(fā)揮著至關重要的作用，主要通過埋設在地下的接地極將電流導入大地，實現(xiàn)電壓的穩(wěn)定與平衡[1-3]。由于接地極長期處于地下環(huán)境中，其受潮濕、溫度變化以及電化學反應的影響，面臨嚴峻的腐蝕問題，導致接地極的斷裂和失效，從而危及人身安全并引發(fā)經(jīng)濟損失，這一問題已成為電力行業(yè)亟待解決的難題[4-6]。目前使用的接地材料包括銅、碳鋼或鍍鋅鋼等多種類型。盡管銅具有優(yōu)良的耐腐蝕性能，但其價格昂貴且易造成土壤污染[1,7]；碳鋼具備較好的導電性，但其耐腐蝕性較差[1,8?9]；鍍鋅鋼雖然具備一定的陽極保護效果，但其鋅層耗盡后，基體鋼的腐蝕情況會加劇，也無法滿足長期使用的要求[10-12]。

因此，開發(fā)一種經(jīng)濟實惠且具備良好耐腐蝕性能和優(yōu)異導電性的接地材料，對于保障電力系統(tǒng)接地極的安全性和持久性具有重要意義。

鎳鉻合金憑借其優(yōu)異的耐腐蝕性廣泛用于各行業(yè)。其表面形成的鈍化膜能夠有效減緩氧化過程，延長材料使用壽命[13-15]。鋁銅合金不僅具備與銅合金相當?shù)母邔щ娦裕瑫r比青銅類合金具有更高的強度、硬度等力學性能，其較低的電阻率，能夠高效地傳導電流，降低接地極的接地電阻[16]。通過將兩種合金復合使用，接地裝置有望同時實現(xiàn)高導電性與低腐蝕性的協(xié)同優(yōu)化，突破傳統(tǒng)接地極材料性能局限。

鎳鉻復合鋁銅合金是一種創(chuàng)新型接地網(wǎng)材料，采用特殊的覆層結(jié)構(gòu)設計，外層為鎳鉻合金，內(nèi)芯為鋁銅合金。這種結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)越的電氣性能、力學特性及耐腐蝕能力。該材料在耐土壤腐蝕、故障電流傳導等方面的表現(xiàn)均優(yōu)于傳統(tǒng)電力接地材料的要求，確保了長期使用中的可靠性與安全性。

目前，針對接地金屬材料在酸性土和鹽堿土中的腐蝕行為研究較少，本文利用室內(nèi)模擬加速實驗和電化學測量技術，研究傳統(tǒng)銅覆鋼和新型鎳鉻復合鋁銅合金在酸性土和鹽堿土中腐蝕行為特征，采用SEM、EDS對表面腐蝕進行表征分析，并對其腐蝕過程進行討論，為接地材料的合理選材和防護提供科學依據(jù)。

1、實驗

試驗材料為銅覆鋼和鎳鉻復合鋁銅合金，直徑均為16mm。銅覆鋼的表層含銅量大于99.9%(質(zhì)量分數(shù)，后同)，還含有微量的Fe和S(均不超過0.005%)。鎳鉻復合鋁銅合金的體積電阻率小于4.3x10-⁸ΩO.m，其表層鎳鉻合金的成分如下:Fe≤70%，Si≤1%，P≤0.045%，Cr20%~22%，C≤0.07%，Ni8.5%~10.5%，S≤0.03%。

將兩種材料機械加工成高度10mm和50mm的圓柱狀試樣，前者在金屬芯上焊接一定長度的銅導線后用環(huán)氧樹脂將兩端圓面封裝起來，用于電化學測試，而后者直接用環(huán)氧樹脂將兩端圓面封裝，用于室內(nèi)模擬土壤腐蝕加速試驗。環(huán)氧樹脂固化后用酒精清洗試樣，吹干后備用。

試驗土壤為兩種實際土壤，酸土取自安徽池州城區(qū)，鹽堿土取自新疆尉犁大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站。將5g土壤加入30mL去離子水中，參照NY/T1121-2006土壤檢測系列標準測得兩種土壤的離子組成如表1所示，主要檢測設備有離子色譜儀883 Basic IC Plus、臺式多參數(shù)測量儀S220-K、電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀ICAP7400。

表1土壤的離子組成結(jié)果

Table 1 Ionic composition of soil samples

(單位:g/kg)

室內(nèi)模擬土壤腐蝕加速試驗參照中關村材料試驗技術聯(lián)盟標準T/CSTM00046.4-2018《低合金結(jié)構(gòu)鋼腐蝕試驗第4部分:模擬土壤環(huán)境腐蝕試驗》進行，土壤選用池州酸土和尉犁鹽堿土，土壤經(jīng)自然風干，粉碎研磨后通過20目篩，將過篩后的土樣裝入潔凈的器皿在105℃下烘干6h，冷卻后稱重，加入蒸餾水配置配制得到含水量20%土壤介質(zhì)，進行室內(nèi)土壤腐蝕試驗，加速試驗溫度70℃，試驗時間30d。

試驗結(jié)束后，將試樣取出并用毛刷清理浮土，用相機拍照，觀察宏觀腐蝕形貌。然后使用D8Advance型X射線衍射儀對腐蝕產(chǎn)物進行物相分析;使用日立GSM-6510A型掃描電子顯微鏡進行微觀形貌觀察及元素成分分析。根據(jù)國標GB/T16545-2015《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》進行除銹，銅覆鋼采用由50g氨基磺酸加去離子水配成的1000mL溶液，在室溫下除銹，5min后取出試樣;鎳鉻復合鋁銅合金采用由100mL硝酸加去離子水配成的1000mL溶液，在60℃下除銹，20min后取出試樣。根據(jù)試樣試驗前后的質(zhì)量差計算材料的腐蝕速率。

采用PARSTAT 2273型電化學工作站進行電化學測試，為保證試驗可重復性，溶液為酸性土壤腐蝕模擬溶液(NaCl 0.048 g/L，CaCl₂ 0.017 g/L，KNO₃ 0.039 g/L，NaHCO₃ 0.015 g/L，Na₂SO₄ 0.027 g/L，MgCl26H2O0.017g/L，pH4.4~4.6)和鹽堿土壤腐蝕模擬溶液(NaCl3.17g/L，CaCl₂0.244g/L，KNO30.216 g/L，NaHCO₃ 0.146 g/L，Na₂SO₄ 2.53g/L，MgCl₂6H2O0.670 g/L，pH 9.2~9.4)。測試均采用三電極體系，工作電極為待測試樣，試樣暴露面積均為4cm2，輔助電極為石墨電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。先將工作電極置于土壤浸出液中進行2000s的開路電位測試。電化學阻抗譜測試在開路電位下進行，頻率從100kHz至10mHz，交流信號幅值為10mV，測試數(shù)據(jù)采用ZSimpWin軟件進行擬合。動電位極化曲線測試的掃描速率為1mV/s，電位范圍(相對于開路電位)是-0.2~0.3V。

2、結(jié)果與討論

2.1表面形貌及成分

圖1給出了銅覆鋼、鎳鉻復合鋁銅合金在不同土壤加速腐蝕試驗30天后除銹前后的宏觀形貌。銅覆鋼表面的銅在酸土中腐蝕后表面出現(xiàn)黑色腐蝕產(chǎn)物，除銹后腐蝕形貌可判斷為均勻的全面腐蝕。在鹽堿土中銅表面變?yōu)楹谏⒏接猩倭磕嗤?除銹后表面有少量腐蝕痕跡。鎳鉻復合鋁銅合金在酸土中表面無明顯變化;在鹽堿土中金屬表面失去光澤，表面平整，無泥土附著，除銹后表面無明顯腐蝕。

圖2和圖3分別給出了銅覆鋼、鎳鉻復合鋁銅合金在不同土壤加速腐蝕試驗30天后的SEM、EDS結(jié)果。銅覆鋼表面銅在酸土中腐蝕后表面出現(xiàn)裂紋狀腐蝕產(chǎn)物，鹽堿土中存在塊狀的腐蝕產(chǎn)物，EDS結(jié)果表明表面含有Cu、Ca、Si、O等元素，Ca、Si可能來源于土壤介質(zhì)中。鎳鉻復合鋁銅合金在酸土中表面出現(xiàn)片狀，在鹽堿土中表面更加平整。鹽堿土的EDS結(jié)果中出現(xiàn)Mg，主要來源于土壤中。

2.2阻抗譜

圖4給出了銅覆鋼、鎳鉻復合鋁銅合金在不同土壤腐蝕模擬溶液中腐蝕前后的阻抗譜結(jié)果，Nyquist圖中圓中心在實軸以下，都具有典型的單一容抗弧特征，說明電化學過程控制整個反應的速率。半圓與Z軸上的弦長對應于電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻R_ct ，值越大，說明耐蝕性能越好。兩圖中都可以看出銅的容抗弧半徑遠小于鎳鉻復合鋁銅合金，表明鎳鉻復合鋁銅合金的極化電阻更大，鎳鉻復合鋁銅合金的鎳鉻外表面給內(nèi)部金屬提供了良好的保護，能夠有效抑制基體金屬腐蝕的萌生和發(fā)展，有著較強的耐蝕性。

對比不同溶液試驗前后相位角均減小，鈍化膜穩(wěn)定性降低，鹽堿土模擬液中相位角小于30°，表明鎳鉻復合鋁銅合金受到嚴重的腐蝕作用，導致表面鈍化膜被破壞，變?yōu)殡姾赊D(zhuǎn)移過程主導。而銅在酸土模擬液相位角小于40°，鹽堿土模擬液相位角小于50°，受到電荷轉(zhuǎn)移過程主導;對比不同溶液試驗前后相位角均減小，表面銅表面的耐蝕性降低。銅高相位角的范圍比鎳鉻復合鋁銅合金窄，表明銅表面的腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性和保護性相對較差。

為了得到更為精確的電荷轉(zhuǎn)移電阻，采用R(QR)等效電路圖在ZSimpWin軟件對阻抗譜數(shù)據(jù)進行擬合，圖5為電化學阻抗譜的等效電路，其中R_s為土壤模擬液電阻，R_ct為電荷轉(zhuǎn)移電阻，Q_r為界面電容(由于電極表面的彌散效應，采用常相位角元件Q代替純電容C)。擬合結(jié)果列于表2。

表2電化學阻抗譜的擬合結(jié)果

Table 2 Fitting results of EIS plots

在相同土壤模擬液中，未試驗的鎳鉻復合鋁銅合金的Rct遠大于銅覆鋼，表明鎳鉻復合鋁銅合金表面

有更致密的鈍化膜，電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，增強了鎳鉻復合鋁銅合金的耐腐蝕性。對比試驗前后的Rct，銅覆鋼的R ct 在兩種模擬液中變小，酸性土模擬液中減小49%，鹽堿土模擬液中減小53%，表明銅表面被破壞，耐蝕性降低;鎳鉻復合鋁銅合金的R ct 在酸性土模擬液和鹽堿土模擬液中則分別減小83%和65%，表明其表面鈍化膜被破壞，耐蝕性降低。試驗后鎳鉻復合鋁銅合金的Rct依然大于銅覆鋼，酸性土模擬液中是銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.9倍，鹽堿土中是銅覆鋼的2.3倍，表明鎳鉻復合鋁銅合金的耐蝕性更好。

2.3極化曲線

圖6給出了在兩種土壤腐蝕模擬溶液試驗前后的極化曲線測試結(jié)果，在兩種模擬液中，銅的腐蝕電位均高于鎳鉻復合鋁銅合金的電位，自腐蝕電流密度均大于鎳鉻復合鋁銅合金的自腐蝕電流密度，表明銅在腐蝕過程中的腐蝕速率更快。各材料的極化曲線向右上方移動，電位正移，說明陰極反應過程被加速。鹽堿土土壤腐蝕模擬溶液中，氯離子較高，對鎳鉻合金的侵蝕破壞較強，導致極化曲線波動較大。

對圖中數(shù)據(jù)進行Tafel擬合，擬合結(jié)果見表3。從中可以看出，所有試樣試驗后腐蝕電位正移，自腐蝕電流密度均增大，表明試驗后材料的穩(wěn)定性降低，易發(fā)生腐蝕;同周期同溶液中鎳鉻復合鋁銅合金表面的自腐蝕電流密度小于銅覆鋼表面，表明鎳鉻復合鋁銅合金的耐蝕性更好。

表3極化曲線的Tafel擬合結(jié)果

Table 3Tafel fitting results of polarization curves

2.4討論

結(jié)合測試結(jié)果可知，銅覆鋼在腐蝕過程中銅的表面發(fā)生了均勻的全面腐蝕，形成了以銅化合物為主的紅銹和黑銹，銅作為陽極失去電子生成Cu²⁺，其腐蝕機理[17?18]如下:

在酸性土中腐蝕產(chǎn)物中含有少量紅色的Cu₂O，在鹽堿土中以黑色的 CuO為主。CuO的晶體結(jié)構(gòu)為單斜結(jié)構(gòu)，較松散，膜層較厚但易產(chǎn)生裂紋或孔隙，對銅的保護性較差[19?20]。在電化學過程中，表現(xiàn)為電荷轉(zhuǎn)移電阻較小，電流密度較大。

鎳鉻復合鋁銅合金中的 Cr含量較高，在表面形成一層Cr₂O₃ 鈍化膜，提高鎳鉻復合鋁銅合金局部腐蝕的耐蝕性，未試驗時阻抗值較大，自腐蝕電流密度較低。

試驗后，土壤中的侵蝕性離子如 Cl, Cl在表面形成吸附作用，破壞表面的鈍化膜，使基體暴露，發(fā)生鐵的腐蝕，初步反應[15,21?23]如下:

生成的 Fe(OH)₂進一步被氧化為 FeOOH和 Fe₃O₄ ， FeOOH本身不穩(wěn)定，會繼續(xù)被氧化脫水轉(zhuǎn)化為 Fe的兩種氧化物Fe₂O₃ 和Fe₃O₄ ，反應[24]如下:

隨著試驗的進行，鎳鉻復合鋁銅合金表面鈍化膜的完整性被破壞，電荷轉(zhuǎn)移電阻減小，電流密度增大，耐蝕性降低。

3、結(jié)論

1)銅覆鋼在土壤中腐蝕更嚴重，鎳鉻復合鋁銅合金表面未附著土壤，腐蝕輕微。

2)在相同環(huán)境下，對比銅覆鋼，鎳鉻復合鋁銅合金表面的腐蝕電位較負，腐蝕電流密度更低，電荷轉(zhuǎn)移電阻更大，耐蝕性更強。試驗后鎳鉻復合鋁銅合金的電荷轉(zhuǎn)移電阻依然大于銅覆鋼，酸性土模擬液中是銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.9倍，鹽堿土銅覆鋼電荷轉(zhuǎn)移電阻的2.3倍，鎳鉻復合鋁銅合金的耐腐蝕性更好。

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（注，原文標題：銅覆鋼和鎳鉻復合鋁銅合金接地極土壤腐蝕的對比研究_江煒楠）