專利名稱：實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極及其制備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試領(lǐng)域，具體為一種實現(xiàn)高溫高壓 水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極及其制備工藝。
背景技術(shù)：
核電是一種清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源。發(fā)展核電是解決我國電力供 應(yīng)不足，改善環(huán)境質(zhì)量，確保國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的重要途徑。我國現(xiàn)役核電站主 要以壓7jC堆為主，其關(guān)鍵設(shè)備如一回路壓力容器主管道及二水回路蒸汽發(fā)生器的 服役環(huán)境均為高溫高壓水(典型堆芯出口^t 326°C，壓力15.6MPa)。月艮役過 程中材料的腐蝕問題對核電站的安全運行構(gòu)成潛在的威脅，同時也是核電關(guān)鍵設(shè) 備材料國產(chǎn)化需要解決的關(guān)鍵問題之一。
電化學(xué)測試可以原位測試金屬材料在水溶液體系中腐1:M程，但由于高溫高 壓水環(huán)境苛刻，對實驗設(shè)備和工作電極的制備工藝要求較高，實現(xiàn)起來非常困難， 僅有少數(shù)核電發(fā)達(dá)國家進(jìn)行了高溫高壓水溶液體系中材料的腐蝕電化學(xué)研究。國 內(nèi)電化學(xué)領(lǐng)賦主要體系仍以10(TC以下的水溶液，鋼筋混凝土和高》鵬鹽體系為 主，高溫高壓水溶液體系的研究鮮有報道，其中最主要的困難之一就是制備適合 高溫高壓苛刻的環(huán)境使用的工作電極。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)觀ij試的工作電極 及其制備工藝，使高溫高壓水溶液體系中金屬材料的腐蝕電化學(xué)測試成為可能，
對開展高溫高壓7K溶液體系中材料腐蝕研究，提高我國核電關(guān)鍵設(shè)備的服役安全 性，可靠性和經(jīng)濟(jì)性有重要意義。 本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，該工作電極由核心部 件和密封組件構(gòu)成，工作電極線和工作電極線外設(shè)置的絕緣單元構(gòu)成工作電極的 核心部件，絕緣單元由高溫和低溫兩部分連接構(gòu)成電極低溫絕緣管、電極高溫
4絕緣管，工作電極的核心部件通過密封組件與高壓釜連接。
所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，高溫部分電極高溫
絕緣管的材料為剛玉管，內(nèi)穿工作電極線，端口與工作電極線之間密封；低溫部
分電樹氐溫絕緣管的材料為聚四氟乙烯管，內(nèi)穿工作電極線，端口與工作電極線
之間密封；高溫部分與低溫部分之間密封，工作電極與高壓釜之間通過密封組件 實現(xiàn)高溫高壓密封。
所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，工作電極線的工作 面、電極高溫絕緣管及部分電極低溫絕緣管的外側(cè)設(shè)有電極套管，電極套管外側(cè) 設(shè)有高壓釜。
所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，密封組件由緊固螺 母、壓緊裝置、柱狀密封件、錐形密封件和密封螺母構(gòu)成，密封螺母的一端與高 壓釜連接，密封螺母內(nèi)S空依次裝有錐形密封件和柱狀密封件，柱狀密封件與密封 螺母之間安裝壓緊裝置，密封螺母的另一端安裝緊固螺母。
所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，高壓釜外側(cè)設(shè)置用 于高壓釜的低溫端冷卻的冷卻裝置。
所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極的制備工藝，包括如 下步驟
(1) 核心部件高溫端制備根據(jù)測試需要選取合適長度的工作電極線，電極
線直徑0.5~3mm，選取內(nèi)徑與工作電極線直徑相近的剛玉管作電極高溫絕緣管，
將工作電極線穿入電極高溫絕緣管，工作電極線露出電極高溫絕緣管兩端的距離
視測試需要而定；電極高溫絕緣管兩端口與工作電極線兩者之間密封，將上述密 封的部件于250。C 30CrC保溫2~3小時；
(2) 核心部件低溫端制備選取內(nèi)徑與工作電極線直徑相近的聚四氟乙烯管
作電極低溫絕緣管，再將步驟(1)中高溫部件的弓l線端穿入其中，電極低溫絕 緣管和工作電極線弓踐端之間密封，電極低溫絕緣管和電極高溫絕緣管兩部分密
封連接于上封口上，將上述密封的部件在15Cr018(TC保溫4~6小時后自然冷 卻；
(3) 核心部件工作端處理將上述制備的部件的工作端用240#， 400#， 600#和1000#金相砂紙逐級打磨，丙酮除油，最后經(jīng)去離子水清洗；
(4) 工作電極的核心部件的引線端穿過錐形密封件、柱狀密封件與外界測試儀器相連；
(5)工作電極的核心部件通過由緊固螺母、壓緊裝置、柱狀密封件、錐形
密封件和密封螺母組成的密封組件與高壓釜連接，并依靠上述組合實現(xiàn)高溫高壓 密封。
本發(fā)明的優(yōu)點在于
1、 本發(fā)明工作電極由核心部件和密封組件構(gòu)成，其中核心部件的絕緣單元 由高溫和低溫兩部分組成高溫部分的材料為剛玉管，內(nèi)穿工作電極線，端口與
工作電極線之間密封；低溫部分的材料為聚四氟乙烯(PTFE)管，內(nèi)穿工作電
極線，端口與工作電極線之間密封，高溫部分與低溫部分密封，電極與高壓釜之 間通過密封組件實現(xiàn)高溫高壓密封。其中，由高溫和低溫兩部分組成的絕緣單元， 其好處是構(gòu)成高溫單元的岡l壓管具有耐高溫的特點，能保證工作電極高溫的測試
環(huán)境，低溫單元的聚四氟乙烯(PTFE)管具有伸縮性，能保證工作電極核心組 件與密封組件的有效密封。密封組件由緊固螺母、壓緊裝置、柱狀密封件、錐形 密封件和密封螺母構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)的好處是安裝方便又能實現(xiàn)有效密封。
2、 本發(fā)明工藝制備的電極密封效果好，耐高溫耐高壓；在弱酸性、中性和
弱堿性介質(zhì)中均可使用，可實現(xiàn)絲狀金屬材料在常溫 35CTC、常壓 20MPa的高
i溫高壓水溶液體系的電化學(xué)測試。


圖1為本發(fā)明工作電極示意圖。
圖2為本發(fā)明工作電極核心部件高溫端制備示意圖。
圖3為本發(fā)明工作電極核心部件示意圖。
圖4為本發(fā)明304不銹鋼工作電極圖片。
圖5為本發(fā)明304ss在3.5%wtNaCI中的極化曲線。
圖6為文獻(xiàn)中304ss在3.5%wtNaCI中的極化曲線。
圖7為本發(fā)明14 MPa三種溫度下304ss的極化曲線。
圖8為本發(fā)明14 MPa三種溫度下0.5 v 30 min后304ss的電化學(xué)阻抗譜。
圖9為本發(fā)明Cu電極圖片。
圖10為本發(fā)明6.9 MPa兩種溫度時Cu在1 mol/LNaOH溶液中的極化曲線。
圖1中，l電樹氐溫絕緣管；2柱狀密封件；3錐形密封件；4電極高溫絕緣
管；5電極套管；6工作電極線；7下封口； 8緊固螺母；9壓緊裝置；10密封螺母；ll中封口； 12冷卻裝置；13高壓釜；14上封口。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極及其制備工 藝，工作電極結(jié)構(gòu)特征在于如下(如圖1所示)
1. 該工作電極的絕緣材料由電極低溫絕緣管1和電極高溫絕緣管4兩部 分組成；
2. 電極高溫絕緣管4的材料為岡l壓管，工作電極線6穿過電極高溫絕緣 管4，電極高溫絕緣管4兩端口與工作電極線6之間設(shè)有下封口 7和中 封口11密封，封口材料選用耐400。O45CTC高溫膠；
3. 電極低溫絕緣管1的材料為聚四氟乙烯(PTFE)管，工作電極線6穿
過電極低溫絕緣管1 ，兩者之間用耐18crc 20crc高溫環(huán)氧樹脂密封；
4. 電極低溫絕緣管1和電極高溫絕緣管4兩部分通過上封口 14密封連接 于中封口 11上。
5. 電極低溫絕緣管1 、電極高溫絕緣管4、工作電極線6構(gòu)成工作電極的 核心部件。
6. 工作電極的核心部件中，工作電極線6的工作面、電極高溫絕緣管4 及部分電樹氐溫絕緣管1的外側(cè)設(shè)有電極套管5，電極套管5外側(cè)設(shè)有 高壓釜13，工作電極的核心部件通過由緊固螺母8、壓緊裝置9、柱狀 密封件2、錐形密封件3和密封螺母10組成的密封組件與高壓釜13 連接，并依靠上述組合實現(xiàn)高溫高壓密封(常溫 35(TC 、常壓 20MPa); 密封螺母10的一端與高壓釜13連接，密封螺母10內(nèi)腔依次裝有錐形 密封件3和柱狀密封件2,柱狀密封件2與密封螺母10之間安裝壓緊 裝置9，密封螺母10的另一端安裝緊固螺母8，形成的整套密封裝置 為錐面密封結(jié)構(gòu)。
7. 高壓釜13外側(cè)設(shè)置冷卻裝置12，冷卻裝置12用于高壓釜13的低溫 端冷卻，以保證工作電極核心部件低溫端的正常工作。
工作電極的制備工藝特征在于如下
1. 根據(jù)測試需要選取合適長度的工作電極線6，電極線直徑 0.5 3mm;
2. 選取內(nèi)徑與工作電極線6直徑相近的剛玉管(剛玉管內(nèi)徑大致在
70.6 4mm)作電極高溫絕緣管4;
3. 將工作電極線6穿入電極高溫絕緣管4，工作電極線6露出電極高 溫絕緣管4兩端的距離視觀賦需要而定；
4. 電極高溫絕緣管4兩端口 (即下封口 7和中封口 11)與工作電極 線6之間用耐40CTC 45CrC高M(jìn)I交密執(zhí)如圖2所示)；
5. 將上述高溫膠密封的部件于高溫?zé)崽幚?，溫?5CTC ，時間2小時;
6. 選取內(nèi)徑與工作電極線6直徑相近的PTFE管(PTFE管內(nèi)徑大致 在0.6~4mm)作電極低溫絕緣管1;
7. 再將步驟5處理后部件的弓踐端A穿入其中，電極低溫絕緣管1和 工作電極線6用所述高溫環(huán)氧樹脂密封于上封口 14;
8. 電極低溫絕緣管1和電極高溫絕緣管4兩部分通過所述高溫環(huán)氧樹 脂密封連接于中封口 11上(如圖3所示)；
9. 將上述密封的部件于適當(dāng)?shù)臏囟?50°C，保溫5小時后，自然冷卻；
10. 將步驟9制備的部件中的工作端已用240#，400#,600#和1000 弁金相砂紙逐級打磨，丙酮除油，最后經(jīng)去離子水清洗；
11. 工作電極核心部件的弓l線端A穿過錐形密封件3、柱狀密封件2與 外界測試儀器相連；
12. 工作電極的核心部件通過由緊固螺母8、壓緊裝置9、柱狀密封件2、 錐形密封件3和密封螺母10組成的密封組件與高壓釜13連接，并 依靠上述組合實現(xiàn)高溫高壓密封；
13. 冷卻裝置12用于高壓釜13的低溫端冷卻，以保證工作電極核心部 件低溫端的正常工作。
實施例1奧氏體304不銹鋼為電極材料的高溫工作電極
1. 在長度為45cm，外徑為0.5mm的304不銹鋼絲的前端套上長度為20cm， 內(nèi)徑為0.6mm的剛玉管絕緣，兩者之間用耐400。C 450。C高^I交密封。
2. 另一端用長度為20cm，內(nèi)徑為0.6mm的聚四氟乙烯(PTFE)管絕緣， 將PTFE管與304不銹鋼絲之間用耐化0。C 20CTC高溫環(huán)氧樹脂密封。
3. 前端留出2cm做工作面，用240#， 400#， 600#和1000弁金相砂紙 逐級打磨，丙酮除油，最后用去離子水清洗。
84. 弓踐端穿過密封組件與儀器相連，工作電極制備完(圖4)。
5. 利用制備的304不銹鋼電極，以0.3mv/s的掃面速度測其在室溫 3.5。/。wtNaCI溶液中的極化曲線(圖5)，并與文獻(xiàn)的結(jié)果相比(圖6)。圖5和圖 6的測試結(jié)果顯示，利用該工藝制備的304不銹鋼工作電極在常溫下的測試結(jié)果 與用常規(guī)方法制備的電極的觀i賦結(jié)果基本吻合。
6. 將制備的304不銹鋼電極置于高壓釜中，分別測得15CrC， 25CTC和 300°C， 14MPa時0.1 mol/LH3BO3+0.02mol/LLiOH緩沖溶液中的極化曲線(圖7)。
7. 將制備的304不銹鋼電極置于高壓釜中，分別測得15CTC， 250。C和 300°C， 14MPa時0.1mol/LH3BO3+0.02mol/LLiOH緩沖溶液中0.5v恒電位極化 30min后的電化學(xué)阻抗譜(圖8)。
8. 圖7和圖8結(jié)果顯示，利用該工藝制備的304不銹鋼電極測得的高溫極 化曲線和電化學(xué)阻抗譜的曲線光滑，結(jié)果穩(wěn)定。
實施例2金屬Cu為電極材料的高溫工作電極
1. 在長度為45cm，外徑為0.5mm的Cu絲的前端套上長度為20cm,內(nèi)徑 為0.6mm的剛玉管絕緣，兩者之間用耐40CrC 45(TC高溫膠密封。
2. 另一端用長度為20cm，內(nèi)徑為0.6mm的聚四氟乙烯(PTFE)管絕緣， 將PTFE管與Cu絲之間用耐180。C 200。C高溫環(huán)氧樹脂密封。
3. 前端留出2mm做工作電極面，用240#， 400#， 600#和1000#金相 砂紙逐級打磨，丙酮除油，最后用去離子水清洗。
4. 弓踐端穿過密封組件與儀器相連，工作電極制備完(圖9)。
5. 利用制備的Cu電極測得金屬Cu在12CTC和175°C， 6.9MPa時 1mol/LNaOH溶液中的極化曲線(圖10)。
6. 圖10結(jié)果顯示，利用新工藝制備的Cu工作電極，觀ij試曲線光滑，結(jié)果 禾急定。
權(quán)利要求
1、一種實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極，其特征在于該工作電極由核心部件和密封組件構(gòu)成，工作電極線和工作電極線外設(shè)置的絕緣單元構(gòu)成工作電極的核心部件，絕緣單元由高溫和低溫兩部分連接構(gòu)成電極低溫絕緣管、電極高溫絕緣管，工作電極的核心部件通過密封組件與高壓釜連接。
2、 按照權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)觀賦的工作電極， 其特征在于高溫部分電極高溫絕緣管的材料為岡lj玉管，內(nèi)穿工作電極線，端口 與工作電極線之間密封；低溫部分電極低溫絕緣管的材料為聚四氟乙烯管，內(nèi)穿 工作電極線，端口與工作電極線之間密封；高溫部分與低溫部分之間密封，工作 電極與高壓釜之間通過密封組件實現(xiàn)高溫高壓密封。
3、 按照權(quán)利要求2所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極， 其特征在于工作電極線的工作面、電極高溫絕緣管及部分電極低溫絕緣管的外 側(cè)設(shè)有電極套管，電極套管外側(cè)設(shè)有高壓釜。
4、 按照權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)高溫高壓7K溶液體系電化學(xué)觀賦的工作電極， 其特征在于密封組件由緊固螺母、壓緊裝置、柱狀密封件、錐形密封件和密封 螺母構(gòu)成，密封螺母的一端與高壓釜連接，密封螺母內(nèi)腔依次裝有錐形密封件和柱狀密封件，柱狀密封件與密封螺母之間安裝壓緊裝置，密封螺母的另一端安裝 緊固螺母。
5、 按照權(quán)禾腰求1所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)觀賦的工作電極， 其特征在于高壓釜外偵股置用于高壓釜的低溫端冷卻的冷卻裝置。
6、 按照權(quán)利要求1所述的實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極的 制備工藝，其特征在于包括如下步驟-(1) 核心部件高溫端制備根據(jù)測試需要選取^S長度的工作電極線，電極線直徑0.5~3mm，選取內(nèi)徑與工作電極線直徑相近的岡i壓管作電極高溫絕緣管， 將工作電極線穿入電極高溫絕緣管，工作電極線露出電極高溫絕緣管兩端的距離 視測試需要而定；電極高溫絕緣管兩端口與工作電極線兩者之間密封，將上述密 封的部件于25CrC 30CTC保溫2~3小時；(2) 核心部件低溫端制備選取內(nèi)徑與工作電極線直徑相近的聚四氟乙烯管作電極低溫絕緣管，再將步驟(1)中高溫部件的弓踐端穿入其中，電極低溫絕 緣管和工作電極線弓l線端之間密封，電極低溫絕緣管和電極高溫絕緣管兩部分密封連接于上封口上，將上述密封的部件在150。C 18CrC保溫4~6小時后自然冷 卻；(3) 核心部件工作端處理將上述制備的部件的工作端用240#， 400弁， 600#和1000#金相砂紙逐級打磨，丙酮除油，最后經(jīng)去離子水清洗；(4) 工作電極的核心部件的引線端穿過錐形密封件、柱狀密封件與外界測試 儀器相連；(5) 工作電極的核心部件通過由緊固螺母、壓緊裝置、柱狀密封件、錐形密 封件和密封螺母組成的密封組件與高壓釜連接，并依靠上述組合實現(xiàn)高溫高壓密 封。
全文摘要
本發(fā)明涉及高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試領(lǐng)域，具體為一種實現(xiàn)高溫高壓水溶液體系電化學(xué)測試的工作電極及其制備工藝。該工作電極由核心部件和密封組件構(gòu)成。核心部件的絕緣單元由高溫和低溫兩部分組成高溫部分的材料為剛玉管，內(nèi)穿工作電極線，端口與工作電極線之間用高溫膠密封；低溫部分的材料為聚四氟乙烯管，內(nèi)穿工作電極線，端口與工作電極線之間用高溫環(huán)氧樹脂密封；高溫部分與低溫部分通過高溫環(huán)氧樹脂密封，電極與高壓釜之間通過密封組件實現(xiàn)高溫高壓密封。通過該工藝制備的電極密封效果好，耐高溫耐高壓，在弱酸性、中性和弱堿性介質(zhì)中均可使用，可實現(xiàn)絲狀金屬材料在常溫～350℃、常壓～20MPa的高溫高壓水溶液體系的電化學(xué)測試。
文檔編號G01N27/30GK101470093SQ20081001104
公開日2009年7月1日 申請日期2008年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月16日
發(fā)明者吳欣強(qiáng), 華 孫, 韓恩厚 申請人:中國科學(xué)院金屬研究所