CHƯƠNG II. THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.4. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất của lớp phủ
2.4.2. Phương pháp điện hóa trong đánh giá tính chất ăn mòn
Thiết bị đo điện hóa gồm ba bộ phận: hệ điện cực, máy đo và máy tính. Hệ điện cực sử dụng cho các phép đo điện hóa gồm ba điện cực:
Điện cực làm việc (W): mẫu titan có và không có lớp phủ HA, FHA.
Điện cực so sánh (R): điện cực Ag/AgCl/Cl- bão hòa (ESHE = 0,197).
Điện cực đối (C): điện cực Pt.
47 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống đo điện hóa
Về mặt nguyên tắc, thiết bị potentiostat cho phép dòng điện đi qua điện cực làm việc và điện cực đối, thông qua dung dịch điện ly. Điện thế được đo giữa điện cực làm việc và điện cực so sánh, dòng điện được đo giữa điện cực làm việc và điện cực đối.
2.4.2.2. Phương pháp đo tổng trở
Tổng trở điện hóa là phương pháp nghiên cứu không phá hủy mẫu và được sử dụng để nghiên cứu động học và cơ chế các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt phân chia pha giữa kim loại/dung dịch điện ly.
Nguyên lí phương pháp là áp một dao động biên độ nhỏ xoay chiều hình sin U0, tần số góc 2 f đi qua một hệ điều hòa. Trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện đáp ứng hình sin có biên độ I0 cùng tần số góc nhưng lệch pha một góc so với điện thế đưa vào. Do sự lệch pha và tổng trở của hệ thống điều hòa cho phép phân tích sự đóng góp của các qúa trình khuyếch tán, động học, lớp kép, phản ứng hóa học vào quá trình điện cực.
Việc sử dụng một dòng xoay chiều áp lên mẫu có thể cho ta những thông tin về trạng thái bề mặt mẫu. Bề mặt mẫu ở bất cứ một tần số nào đã cho đều thể hiện như là mạch của điện trở và tụ điện và do đó ta có thể đo đạc được và phân tích được tổng trở. Sự phản hồi của bề mặt liên quan đến tính chất ăn mòn của bề mặt và thường được sử dụng để dự đoán tính chất bề mặt và giải thích cơ chế ăn mòn của vật liệu.
48 Trong nghiên cứu này, phổ tổng trở của các mẫu đo trong dung dịch SBF có thành phần như trong bảng 2.3 và được quét với tần số từ 10 kHz đến 10 mHz, biên độ điện thế 10mV để đánh giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu phủ HA và FHA và cơ chế hình thành màng apatit theo thời gian ngâm mẫu.
2.4.2.3. Phương pháp đo đường cong phân cực anốt (Potentiodynamic)
Phương pháp đo đường cong phân cực Potentiodynamic được dùng để xác định tốc độ hoà tan đối với một hệ kim loại- điện ly trên một khoảng điện thế nào đó.
Sơ đồ đường cong phân cực anốt được minh họa trong hình 2.6. Quá trình quét bắt đầu từ điểm 1 và theo hướng điện tích dương cho đến khi chấm dứt tại điểm 2. Tại điện thế mạch hở ở điểm A, tổng tốc độ phản ứng anốt và catốt trên bề mặt điện cực bằng không. Kết quả là dòng điện đo được sẽ gần bằng không. Khi điện thế tăng lên và chuyển sang khu vực B, đó là khu vực hoạt động. Trong khu vực này, phản ứng chi phối cả quá trình là phản ứng oxy hóa kim loại. Điểm C được gọi là điện thế thụ động và áp một điện thế cao hơn điện thế này thì mật độ được xem là giảm khi điện thế tăng (vùng D) cho đến khi đạt được mật độ dòng thụ động thấp (Vùng thụ động - Vùng E). Khi điện thế đạt đến giá trị dương đủ lớn (Điểm F), dòng điện tăng nhanh (vùng G). Sự gia tăng này có thể là do một số hiện tượng, tùy thuộc vào hợp kim và môi trường. Đối với một số hợp kim, điển hình là những hợp kim có lớp oxit bảo vệ tốt, chẳng hạn như titan, dòng điện tăng đột ngột là do sự giải phóng oxy.
Tốc độ ăn mòn được tính từ đường cong phân cực anốt. Đối với các phản ứng khống chế chuyển khối diễn ra với tốc độ thấp hơn nhiều so với tốc độ giới hạn thì mật độ dòng có thể được biểu thị dưới dạng hàm của quá thế η.
Trong đó η = Eáp-Emạch hở như sau:
η = β log i /i0
Biểu thức này được gọi là phương trỡnh tafel, trong đú ò là độ dốc tafel, i là mật độ dòng điện áp dụng và i0 mật độ dòng trao đổi (tốc độ phản ứng tại điện thế thuận nghịch). Do đó, độ dốc tafel cho các phản ứng anốt và catốt xảy ra ở mạch hở có thể được lấy từ các vùng tuyến tính của đường cong phân cực, như được minh họa trong hình 2.6. Khi độ dốc được thiết lập, có thể ngoại suy trở lại từ cả hai khu vực anốt và catốt đến điểm mà tốc độ phản ứng anốt và catốt là tương đương. Mật độ
49 dòng tại thời điểm đó là mật độ dòng ăn mòn (icor) và điện thế là điện thế ăn mòn (Ecor). Từ đường cong phân cực anốt có thể tính được các thông số điện hóa như: điện thế ăn mòn, mật độ dòng ăn mòn [51, 73].
Hình 2.6. Đường cong phân cực anốt: a-đường cong phân cực anốt có thụ động và b-đường cong tafel [101]
Để đánh giá khả năng chống ăn mòn của vật liệu có và không có lớp phủ HA ở các chế độ nung khác nhau, tiến hành đo đường cong phân cực anốt trong khoảng điện thế từ -250 mV so với điện thế mạch hở đến 1600 mV, với tốc độ quét thế 1 mV/s trong dung dịch Ringer có thành phần: NaCl 8,6 g/L; CaCl2.2H2O; 0,33 g/L;
KCl 0,3 g/L [102]. Từ đường cong phân cực anốt có thể so sánh, đánh giá được khả năng chống ăn mòn của vật liệu titan phủ HA.