[发明专利]防止导电结构腐蚀的方法与系统

说明书

本发明涉及使用半导体技术用来防止导电结构腐蚀的方法与系统。

过去几个世纪发展了许多用于控制腐蚀的方法，特别强调在腐蚀环境里延长金属结构的寿命的方法。这些方法通常包括涂层，主要用于提高铁类金属，例如钢，和一些非铁类金属，例如铝的耐蚀性，以及避免需要使用比较昂贵的合金。由此既可以提高性能又可以降低成本。然而，这类涂层通常有某些缺陷，包括不适用于受腐蚀和污蚀的非金属结构。

涂层可以分为两大类。最大的一类为表面涂层，例如油漆，起到与环境的物理隔离的作用。第二类包括牺牲性涂层，例如锌或镉，设计成对其优先腐蚀以便保护基本金属不受侵蚀。

阴极保护与涂层均是主要目的为减轻与防止腐蚀的工程方法。每种处理方法不同：阴极保护通过从外界源引入电流抵消常态电化学腐蚀反应来防止腐蚀，而涂层则是形成阻挡层，阻止阴极阳极间或电偶间自发的腐蚀电流或电子流动。每种处理方法均获得有限的成功。到目前为止涂层方法代表了最广泛的普通防蚀的方法(见Leon等的美国专利No.3,562,124以及Hayashi等的美国专利No.4,219,358)。而阴极保护用于保护埋藏或浸泡条件下的百万公里管道和大面积钢表面。

阴极保护技术通过提供足够的阴极电流使阳极溶解速度变到可忽略的程度来减小金属表面的腐蚀(例如，见Pryor的美国专利No.3,574,801；Wasson的美国专利No.3,864,234；Maes的美国专利No.4,381,981；Wilson等的美国专利No.4,836,768；Webster的美国专利No.4,863,578；以及Stewart等的美国专利No.4,957,612)。阴极保护的概念是利用足够的电流极化阴极到阳极电位从而消除局部阳极与阴极表面的电位差的原理。换句话说，施加阴极电流的效果是减小继续参与反应的阳极的面积，而不是减小剩余的阳极的腐蚀速度。当所有的阳极反应失效后即取得了完全的保护。从电化学角度看，这表明足够的电子提供给了被保护的金属，使得平衡了金属电离或溶解的趋势。

最近的腐蚀的研究工作发现，电化学腐蚀过程明显同电化学系统的电特性的随机波动有关，例如电池电流和电极电位。这些随机波动技术上称为“噪声”。研究人员开始应用噪声分析技术研究电化学系统中的腐蚀过程。

Riffe的U.S.5,352,342和Riffe的U.S.5,009,757公开了一种锌/氧化锌为基础的硅酸盐涂层，结合电子学应用于防蚀系统。涂层中的锌/氧化锌颗粒被公开出具有半导体特性，主要是在Zn-ZnO相界的pn结。当反向偏置时，该pn结表现为二极管，阻止跨越相界的电子转移。这种约束限制了电子从Zn氧化位置向ZnO表面氧还原位置的转移。在局部腐蚀电池的阴极阳极之间有效地增加了抗性而减小了腐蚀。

平均地，Zn-ZnO结呈反向偏置，这是由于与Zn表面上Zn的氧化和ZnO表面上O₂的还原相联系的电位的缘故。然而，会发生相当大的电压随机波动。这些电压波动时而引起结点变成正向偏置。当正向偏置时，跨越结点的电子转移增加，加速了Zn的氧化和O₂的还原。甚至局部腐蚀电池的阴极阳极之间产生短路，增强了腐蚀。

Riffe的专利公开了在防蚀系统的电化学线路中附加一个固定值的电容器。然而，没有方法控制电容器的数值水平或建议任何方法在给定的结构中为有效的防止腐蚀确定电容器必需的数值水平。因此，为使系统有效要使用过电容器。

由此，本发明的一个目的为提供一种半导体涂层，对任何导电结构提供抗腐蚀特性。

本发明的进一步目的为提供一种用于保护导电金属结构不受腐蚀的方法，可以微调到适合该金属结构的独特特征。

本发明的进一步目的为提供一种用于保护导电金属结构不受腐蚀的方法，通过使用半导体技术而不需要外部阳极，不需要电解液，以及不需要产生电流。

本发明的进一步目的为提供一种用于保护导电金属结构不受腐蚀的系统，其中该系统提供长期保护而只需最小的系统维护。

凡此种种目标通过半导体涂层和相关联的电子系统的发现而满意取得，其中系统的运行只需过滤覆盖着半导体涂层的导电结构中的电压波动，其中，使用该系统的方法包括：

用半导体涂层涂敷导电结构，有固定的电子滤波器连接于所述被涂敷的结构，

监视由所述涂层产生的噪声，所述涂层具有连接于其上的所述固定的电子滤波器，

使用连接于所述涂层的可调滤波器以确定使所述涂层产生的噪声最小化所需的抗蚀滤波响应；以及