In Situ Methoden in der Korrosion

Die Korrosion von biodegradierbaren Implantaten und die Korrosion unter dünnen Elektrolytfilmen, wie sie für die Automobilindustrie relevant ist, sind zwei prominente Beispiele für Immersionskorrosion und atmosphärische Korrosion. Die genannten Anwendungsbeispiele repräsentieren die wichtigsten Szenarien der wassrigen Korrosion. Beide Fälle sind von praktischem Interesse und zeigen bezüglich des Korrosionsmechanismus ein unterschiedliches Verhalten. Die Zahl der verfügbaren Messmethoden ist allerdings limitiert. Jeder Korrosionsreaktion liegt eine entsprechende kathodische Reduktionsreaktion zugrunde, deren beiden Hauptmechanismen die Wasserstoffentwicklung (HER, hydrogen Reduction Reaction) und die Sauerstoffreduktion (ORR, oxygen Reduction Reaction) sind.

Von unserem Team wurde eine universelle und zerstörungsfreie in situ Methoden zur Messung der kathodischen Reaktionsrate entwickelt, um in Echtzeit sehr genaue Korrosionsraten sowohl für Immersionskorrosion als auch für atmosphärische Korrosion liefern zu können. Für die Korrosion unter Immersionsbedingungen hat sich die volumetrische HER Messung gut etabliert. Dabei wird durch das Sammeln des bei der Korrosion entstehenden Wasserstoffgases, zum Beispiel mittels des gravimetrischen Auftriebs, die Korrosionsrate bestimmt. Kürzlich hat M. Strebl gezeigt, dass gravimetrische H2 Messungen auch geeignet sind, um atmosphärische H2 Korrosion zu messen.

Diese neue Methode basiert darauf, die Druckentwicklung in einer hermetisch abgeschlossenen Kammer mittels eines Drucksensors zu messen. Für die ORR ist der Sauerstoffverbrauch, sowohl volumetrisch als auch per Drucksensor, messbar. Zusätzlich kann ein optischer Sauerstoffsensor eingesetzt werden, um die ORR-Rate sowohl für Immersionskorrosion als auch für atmosphärische Korrosion zu messen. Die Kombination dieser Methoden erlaubt es, die ORR und die HER gleichzeitig zu messen und auch deren jeweiligen Anteil an der gesamten Korrosion zu bestimmen. Dadurch wird es möglich, auch Systeme zu untersuchen, die sowohl durch Abgabe von H2 (HER) als auch durch den Verbrauch von Sauerstoff (ORR) korrodieren. Die Methode ist zudem in der Lage die effektive Ladung der Korrosionsprodukte zu bestimmen. Der Vergleich zwischen der mit der neuen Messmethode gemessenen kathodischen Gesamtladung und dem Masseverlust bei diversen Metallen zeigt eine gute Übereinstimmung.

Basierend auf diesen Techniken wurde eine Durchflusszelle realisiert, die die zuvor unter statischen Bedingungen möglichen Messungen erweitert. Ein Vorteil der Durchflusszelle ist, dass durch das regelmäßige Durchspülen die Eingangsbedingungen des Experiments wiederhergestellt werden. Dadurch wird zum Beispiel der vorzeitige Verbrauch von Sauerstoff (O2) oder Kohlendioxid (CO2) verhindert, wie er bei statischer Langzeitauslagerung auftritt. Zusätzlich ermöglicht die Durchflusszelle es, zwischen verschiedenen Auslagerungsbedingungen in Echtzeit zu wechseln und auch die dadurch ausgelöste Veränderung der Korrosionsrate in Echtzeit zu beobachten. Außerdem ermöglicht es die Durchflusszelle für atmosphärische Korrosion, die Einflüsse von Änderungen in der relativen Luftfeuchte (Feucht-Trockenzyklen), der Temperatur oder der Gaszusammensetzung zu untersuchen.

Präsentiert wird in situ Time lapse microscopy einer atmosphärischer Kupferkorrosion. Es zeigt die ermittelte Ladung und Stromdichte der Korrosion, was im Falle von Kupfer der ORR entspricht.