镁以其独特的物理和化学性质，在轻量化制造、降低能耗和可降解材料等方面具有巨大的应用价值，但镁在与不同金属接触时易遭受严重的电偶腐蚀。电偶腐蚀涉及多个时空尺度上耦合的物理化学现象，包括反应、离子传质、腐蚀产物层的形成及腐蚀界面的演化，从而加剧了电偶腐蚀的复杂性。机理性数值模型基于电化学动力学定律和物质传输理论，可获取任意时间-位置且通过实验难以获取的局部物理化学信息，从而将腐蚀行为与离子传质、成膜、界面演化和电子迁移等多个子过程联系起来，加深对腐蚀过程中各种参数之间内在本质关系的理解。当前国内外学者已发展了一些腐蚀产物膜影响下的数值模型，但是实际环境中腐蚀产物层呈现非均质的特征，在腐蚀产物层内部及附近区域的离子传质和反应存在明显差异，进而导致金属表面不同时间和空间位置的腐蚀动力学特性变化较大，关于这一问题还需进一步深入研究。

最近，西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室王凯博士和西安交通大学王跃社教授等人提出了一个多物理场耦合模型对电偶腐蚀行为中各种耦合的物理化学现象进行数理描述，包括化学反应、主体溶液和沉积层中的离子传质、界面反应动力学以及腐蚀产物沉积层的生长过程，通过捕捉浓度分布、溶液电导率、瞬态电场、电流分布、界面演化以及沉积层孔隙率和厚度的多物理场耦合特性，揭示了非均质腐蚀产物层的动态生长过程对电偶腐蚀时空演化的影响规律。研究结果表明，模型预测的腐蚀形貌演化特性与实验数据吻合较好；模型预测了腐蚀产物层内层致密和外层疏松的多层生长特性，以及离子浓度在内层急剧变化和外层缓慢变化的不同分布特点；非均质的腐蚀产物层导致溶液电导率不均匀，并引起了腐蚀电流密度随时间减小的规律不同。模型可实时原位地提供腐蚀过程中任意尺度的各种物理化学信息，为非均质产物膜动态生长影响下的腐蚀演化全过程的数值重现提供了重要手段。

本研究将模型预测的电偶腐蚀形貌与相同工况下的实验数据进行对比，如图1所示。研究发现预测腐蚀形貌与实验结果吻合度较高，其中实验测得的最大腐蚀深度为2 mm，而本研究所预测的最大腐蚀深度为1.745 mm，明显优于学者们之前研究所预测的结果（1.6 mm和1.71 mm）。这是因为本研究通过数理描述将腐蚀产物层视为孔隙率随腐蚀发展在时间-空间上不断变化的多孔层，加入了腐蚀产物层非均质生长特性对腐蚀演化过程的影响，最终实现对电偶腐蚀演化过程物理上更真实的描述。

图1 预测腐蚀形貌与实验数据的对比

重点研究了腐蚀产物层形貌及孔隙率的时空演化规律，结果分别如图2和图3所示。由于电解液中OH^-(阴极反应产物)比Mg²⁺(阳极反应产物)的传质速度更快，因此阳极表面的腐蚀产物层比阴极表面的腐蚀产物层更厚。腐蚀产物层的厚度在电偶连接处附近达到最大值，这表明电偶连接处腐蚀反应剧烈，Mg²⁺和OH^-的产生速率较快，促进了腐蚀产物层的生长。与之对应，腐蚀产物层的孔隙率在连接处最低，表明该处的沉积过程较快。随着时间推移，孔隙度最低的区域显著扩大，意味着沉积过程在不断进行，并且在结合处附近的腐蚀产物膜出现了明显的孔隙率梯度，即电极表面附近的内层产物膜孔隙率较低，外层孔隙率较高，表明形成了内层致密、外层相对疏松的多孔沉积层。

图2 腐蚀产物层形貌的时空变化规律

图3 腐蚀产物层孔隙率的时空变化规律

在此基础上，本研究还探索了腐蚀产物层的非均质生长特性对离子浓度分布和腐蚀速率的影响，结果分别如图4和图5所示。OH^-浓度随着距电极表面法向距离的增加而逐渐减小，反映了腐蚀产物层的多孔结构对OH^-向外传质具有阻碍作用。在腐蚀初始阶段，OH^-浓度呈稳定减小趋势；而随着腐蚀进行，OH^-浓度随着距离的增加先急剧减小再稳定减小。这是因为初始阶段腐蚀产物层整体的孔隙率较高，对离子传质的影响较为稳定；而后期腐蚀产物层呈现内密外松的双层结构，导致内层离子浓度急剧变化，而外层离子浓度稳定变化。由图4可知，腐蚀速率随着时间的增加而减小，说明沉积层的持续增长抑制了腐蚀演化过程。一方面，沉积层随时间延长逐渐变得致密，阻碍了腐蚀发展；另一方面，阳极面积随腐蚀进行逐渐扩大，阴极/阳极面积比变小，导致阳极电流密度减小。在电偶连接处的腐蚀速率随时间下降最为明显，这是因为在连接处附近通常会形成致密的沉积层，对腐蚀的抑制作用越来越显著。

图4 沿电极表面外法向的(a)OH^-浓度和(b)孔隙率的时空演化规律

图5 电极表面腐蚀速率的时空演化规律

综上所述，本研究综合考虑金属表面的电化学反应、溶液中的化学反应、沉积层的非均质生长以及跨越沉积层和主体溶液的传质过程，建立了多场耦合腐蚀动力学模型，捕捉了腐蚀界面、沉积层厚度和孔隙率、浓度场以及电流分布的时空演化规律，从而建立了非均质腐蚀产物层的生长过程与腐蚀行为动态演变过程的内在数理联系，这对解决实际复杂环境下电偶腐蚀演变过程的在线原位实时预测具有重要意义。

声明：以上所有内容源自各大平台，版权归原作者所有，我们对原创作者表示感谢，文章内容仅用来交流信息所用，仅供读者作为参考，一切解释权归镁途公司所有，如有侵犯您的原创版权请告知，经核实我们会尽快删除相关内容。鸣谢：镁途公司及所有员工诚挚感谢各位朋友对镁途网站的关注和关心，同时，也诚挚欢迎广大同仁到网站发帖、投稿.