新型镍铬外层铝铜内芯复合接地材料性能评估：基于室内模拟加速试验与电化学表征的酸性土、盐碱土腐蚀行为及耐蚀优势分析

接地系统在电力网络中发挥着至关重要的作用，主要通过埋设在地下的接地极将电流导入大地，实现电压的稳定与平衡[1-3]。由于接地极长期处于地下环境中，其受潮湿、温度变化以及电化学反应的影响，面临严峻的腐蚀问题，导致接地极的断裂和失效，从而危及人身安全并引发经济损失，这一问题已成为电力行业亟待解决的难题[4-6]。目前使用的接地材料包括铜、碳钢或镀锌钢等多种类型。尽管铜具有优良的耐腐蚀性能，但其价格昂贵且易造成土壤污染[1,7]；碳钢具备较好的导电性，但其耐腐蚀性较差[1,8−9]；镀锌钢虽然具备一定的阳极保护效果，但其锌层耗尽后，基体钢的腐蚀情况会加剧，也无法满足长期使用的要求[10-12]。

因此，开发一种经济实惠且具备良好耐腐蚀性能和优异导电性的接地材料，对于保障电力系统接地极的安全性和持久性具有重要意义。

镍铬合金凭借其优异的耐腐蚀性广泛用于各行业。其表面形成的钝化膜能够有效减缓氧化过程，延长材料使用寿命[13-15]。铝铜合金不仅具备与铜合金相当的高导电性，同时比青铜类合金具有更高的强度、硬度等力学性能，其较低的电阻率，能够高效地传导电流，降低接地极的接地电阻[16]。通过将两种合金复合使用，接地装置有望同时实现高导电性与低腐蚀性的协同优化，突破传统接地极材料性能局限。

镍铬复合铝铜合金是一种创新型接地网材料，采用特殊的覆层结构设计，外层为镍铬合金，内芯为铝铜合金。这种结构赋予其优越的电气性能、力学特性及耐腐蚀能力。该材料在耐土壤腐蚀、故障电流传导等方面的表现均优于传统电力接地材料的要求，确保了长期使用中的可靠性与安全性。

目前，针对接地金属材料在酸性土和盐碱土中的腐蚀行为研究较少，本文利用室内模拟加速实验和电化学测量技术，研究传统铜覆钢和新型镍铬复合铝铜合金在酸性土和盐碱土中腐蚀行为特征，采用SEM、EDS对表面腐蚀进行表征分析，并对其腐蚀过程进行讨论，为接地材料的合理选材和防护提供科学依据。

1、实验

试验材料为铜覆钢和镍铬复合铝铜合金，直径均为16mm。铜覆钢的表层含铜量大于99.9%(质量分数，后同)，还含有微量的Fe和S(均不超过0.005%)。镍铬复合铝铜合金的体积电阻率小于4.3x10-⁸ΩO.m，其表层镍铬合金的成分如下:Fe≤70%，Si≤1%，P≤0.045%，Cr20%~22%，C≤0.07%，Ni8.5%~10.5%，S≤0.03%。

将两种材料机械加工成高度10mm和50mm的圆柱状试样，前者在金属芯上焊接一定长度的铜导线后用环氧树脂将两端圆面封装起来，用于电化学测试，而后者直接用环氧树脂将两端圆面封装，用于室内模拟土壤腐蚀加速试验。环氧树脂固化后用酒精清洗试样，吹干后备用。

试验土壤为两种实际土壤，酸土取自安徽池州城区，盐碱土取自新疆尉犁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站。将5g土壤加入30mL去离子水中，参照NY/T1121-2006土壤检测系列标准测得两种土壤的离子组成如表1所示，主要检测设备有离子色谱仪883 Basic IC Plus、台式多参数测量仪S220-K、电感耦合等离子体发射光谱仪ICAP7400。

表1土壤的离子组成结果

Table 1 Ionic composition of soil samples

(单位:g/kg)

室内模拟土壤腐蚀加速试验参照中关村材料试验技术联盟标准T/CSTM00046.4-2018《低合金结构钢腐蚀试验第4部分:模拟土壤环境腐蚀试验》进行，土壤选用池州酸土和尉犁盐碱土，土壤经自然风干，粉碎研磨后通过20目筛，将过筛后的土样装入洁净的器皿在105℃下烘干6h，冷却后称重，加入蒸馏水配置配制得到含水量20%土壤介质，进行室内土壤腐蚀试验，加速试验温度70℃，试验时间30d。

试验结束后，将试样取出并用毛刷清理浮土，用相机拍照，观察宏观腐蚀形貌。然后使用D8Advance型X射线衍射仪对腐蚀产物进行物相分析;使用日立GSM-6510A型扫描电子显微镜进行微观形貌观察及元素成分分析。根据国标GB/T16545-2015《金属和合金的腐蚀腐蚀试样上腐蚀产物的清除》进行除锈，铜覆钢采用由50g氨基磺酸加去离子水配成的1000mL溶液，在室温下除锈，5min后取出试样;镍铬复合铝铜合金采用由100mL硝酸加去离子水配成的1000mL溶液，在60℃下除锈，20min后取出试样。根据试样试验前后的质量差计算材料的腐蚀速率。

采用PARSTAT 2273型电化学工作站进行电化学测试，为保证试验可重复性，溶液为酸性土壤腐蚀模拟溶液(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)和盐碱土壤腐蚀模拟溶液(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)。测试均采用三电极体系，工作电极为待测试样，试样暴露面积均为4cm2，辅助电极为石墨电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)。先将工作电极置于土壤浸出液中进行2000s的开路电位测试。电化学阻抗谱测试在开路电位下进行，频率从100kHz至10mHz，交流信号幅值为10mV，测试数据采用ZSimpWin软件进行拟合。动电位极化曲线测试的扫描速率为1mV/s，电位范围(相对于开路电位)是-0.2~0.3V。

2、结果与讨论

2.1表面形貌及成分

图1给出了铜覆钢、镍铬复合铝铜合金在不同土壤加速腐蚀试验30天后除锈前后的宏观形貌。铜覆钢表面的铜在酸土中腐蚀后表面出现黑色腐蚀产物，除锈后腐蚀形貌可判断为均匀的全面腐蚀。在盐碱土中铜表面变为黑色并附有少量泥土;除锈后表面有少量腐蚀痕迹。镍铬复合铝铜合金在酸土中表面无明显变化;在盐碱土中金属表面失去光泽，表面平整，无泥土附着，除锈后表面无明显腐蚀。

图2和图3分别给出了铜覆钢、镍铬复合铝铜合金在不同土壤加速腐蚀试验30天后的SEM、EDS结果。铜覆钢表面铜在酸土中腐蚀后表面出现裂纹状腐蚀产物，盐碱土中存在块状的腐蚀产物，EDS结果表明表面含有Cu、Ca、Si、O等元素，Ca、Si可能来源于土壤介质中。镍铬复合铝铜合金在酸土中表面出现片状，在盐碱土中表面更加平整。盐碱土的EDS结果中出现Mg，主要来源于土壤中。

2.2阻抗谱

图4给出了铜覆钢、镍铬复合铝铜合金在不同土壤腐蚀模拟溶液中腐蚀前后的阻抗谱结果，Nyquist图中圆中心在实轴以下，都具有典型的单一容抗弧特征，说明电化学过程控制整个反应的速率。半圆与Z轴上的弦长对应于电极的电荷转移电阻R_ct ，值越大，说明耐蚀性能越好。两图中都可以看出铜的容抗弧半径远小于镍铬复合铝铜合金，表明镍铬复合铝铜合金的极化电阻更大，镍铬复合铝铜合金的镍铬外表面给内部金属提供了良好的保护，能够有效抑制基体金属腐蚀的萌生和发展，有着较强的耐蚀性。

对比不同溶液试验前后相位角均减小，钝化膜稳定性降低，盐碱土模拟液中相位角小于30°，表明镍铬复合铝铜合金受到严重的腐蚀作用，导致表面钝化膜被破坏，变为电荷转移过程主导。而铜在酸土模拟液相位角小于40°，盐碱土模拟液相位角小于50°，受到电荷转移过程主导;对比不同溶液试验前后相位角均减小，表面铜表面的耐蚀性降低。铜高相位角的范围比镍铬复合铝铜合金窄，表明铜表面的腐蚀产物膜的稳定性和保护性相对较差。

为了得到更为精确的电荷转移电阻，采用R(QR)等效电路图在ZSimpWin软件对阻抗谱数据进行拟合，图5为电化学阻抗谱的等效电路，其中R_s为土壤模拟液电阻，R_ct为电荷转移电阻，Q_r为界面电容(由于电极表面的弥散效应，采用常相位角元件Q代替纯电容C)。拟合结果列于表2。

表2电化学阻抗谱的拟合结果

Table 2 Fitting results of EIS plots

在相同土壤模拟液中，未试验的镍铬复合铝铜合金的Rct远大于铜覆钢，表明镍铬复合铝铜合金表面

有更致密的钝化膜，电荷转移电阻更大，增强了镍铬复合铝铜合金的耐腐蚀性。对比试验前后的Rct，铜覆钢的R ct 在两种模拟液中变小，酸性土模拟液中减小49%，盐碱土模拟液中减小53%，表明铜表面被破坏，耐蚀性降低;镍铬复合铝铜合金的R ct 在酸性土模拟液和盐碱土模拟液中则分别减小83%和65%，表明其表面钝化膜被破坏，耐蚀性降低。试验后镍铬复合铝铜合金的Rct依然大于铜覆钢，酸性土模拟液中是铜覆钢电荷转移电阻的2.9倍，盐碱土中是铜覆钢的2.3倍，表明镍铬复合铝铜合金的耐蚀性更好。

2.3极化曲线

图6给出了在两种土壤腐蚀模拟溶液试验前后的极化曲线测试结果，在两种模拟液中，铜的腐蚀电位均高于镍铬复合铝铜合金的电位，自腐蚀电流密度均大于镍铬复合铝铜合金的自腐蚀电流密度，表明铜在腐蚀过程中的腐蚀速率更快。各材料的极化曲线向右上方移动，电位正移，说明阴极反应过程被加速。盐碱土土壤腐蚀模拟溶液中，氯离子较高，对镍铬合金的侵蚀破坏较强，导致极化曲线波动较大。

对图中数据进行Tafel拟合，拟合结果见表3。从中可以看出，所有试样试验后腐蚀电位正移，自腐蚀电流密度均增大，表明试验后材料的稳定性降低，易发生腐蚀;同周期同溶液中镍铬复合铝铜合金表面的自腐蚀电流密度小于铜覆钢表面，表明镍铬复合铝铜合金的耐蚀性更好。

表3极化曲线的Tafel拟合结果

Table 3Tafel fitting results of polarization curves

2.4讨论

结合测试结果可知，铜覆钢在腐蚀过程中铜的表面发生了均匀的全面腐蚀，形成了以铜化合物为主的红锈和黑锈，铜作为阳极失去电子生成Cu²⁺，其腐蚀机理[17−18]如下:

在酸性土中腐蚀产物中含有少量红色的Cu₂O，在盐碱土中以黑色的 CuO为主。CuO的晶体结构为单斜结构，较松散，膜层较厚但易产生裂纹或孔隙，对铜的保护性较差[19−20]。在电化学过程中，表现为电荷转移电阻较小，电流密度较大。

镍铬复合铝铜合金中的 Cr含量较高，在表面形成一层Cr₂O₃ 钝化膜，提高镍铬复合铝铜合金局部腐蚀的耐蚀性，未试验时阻抗值较大，自腐蚀电流密度较低。

试验后，土壤中的侵蚀性离子如 Cl, Cl在表面形成吸附作用，破坏表面的钝化膜，使基体暴露，发生铁的腐蚀，初步反应[15,21−23]如下:

生成的 Fe(OH)₂进一步被氧化为 FeOOH和 Fe₃O₄ ， FeOOH本身不稳定，会继续被氧化脱水转化为 Fe的两种氧化物Fe₂O₃ 和Fe₃O₄ ，反应[24]如下:

随着试验的进行，镍铬复合铝铜合金表面钝化膜的完整性被破坏，电荷转移电阻减小，电流密度增大，耐蚀性降低。

3、结论

1)铜覆钢在土壤中腐蚀更严重，镍铬复合铝铜合金表面未附着土壤，腐蚀轻微。

2)在相同环境下，对比铜覆钢，镍铬复合铝铜合金表面的腐蚀电位较负，腐蚀电流密度更低，电荷转移电阻更大，耐蚀性更强。试验后镍铬复合铝铜合金的电荷转移电阻依然大于铜覆钢，酸性土模拟液中是铜覆钢电荷转移电阻的2.9倍，盐碱土铜覆钢电荷转移电阻的2.3倍，镍铬复合铝铜合金的耐腐蚀性更好。

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（注，原文标题：铜覆钢和镍铬复合铝铜合金接地极土壤腐蚀的对比研究_江炜楠）