铝和铝阳极

       铝也是典型的轻金属，原子序数13，相对原子质量26.98，密度2.7g/cm³，熔点660℃。铝的标准电极电位为一1.66V（SHE），在海水中的稳定电位约为-0.78V（SHE）。铝的理论电容量是锌的3.6倍，镁的1.35倍。铝的原料易得，制造工艺较简单，价格低廉，是发展牺牲阳极的良好材料。

　　铝是自钝化金属，未经合金化的工业纯铝和普通铝合金的表面极易钝化，即使在空气中也易在金属表面自发地形成一层致密的、厚度为5～200nm的氧化膜，此即所谓钝化膜。钝极化后的铝电位较正，在海水中的稳定电位约为-0.78V（SHE），而且易于极化。在海水中用0～10A/m²的电流密度使铝阳极极化时，铝的电极电位正移到-0.71V（SHE），此值比钢的保护电位还要正。所以未合金化的铝，单就其本身的电位值来说，就不可能用作牺牲阳极。

　　为研制具有实用价值的铝基牺牲阳极，必须通过合金化的方法，在铝中添加具有活化作用的合金元素，发展新型铝合金，以限制或阻止在合金表面形成连续的保护性氧化膜，促进和保持表面活化，使合金具有较负的电位和较高的电流效率。一般在铝中添加8%Zn或5%Mg就可以实现这一目标。此外，还要添加如Cd、Ga、In、Hg和Ti等合金元素，以便阳极长期保持活性。这些合金化元素也称为晶格变形元素，起到防止形成连续氧化膜的作用。活化在本质上也促进了阳极材料的腐蚀。因此，为了维持阳极的电流输出达到最佳效果，还要添加Mn与Si等进一步合金化，这些元素也称为晶格限制元素。

　　各种铝合金阳极的行为是很不一样的。电极电位一般在-0.75～-1.30V（SHE）之间；电流效率则在95%（含Hg合金）和70%～80%（含Cd、In、Sn合金）之间。在铝中添加两种或两种以上合金元素可以使牺牲阳极性能得到很大改善，既能使电位足够负，又能使电流效率达到较高的程度。有三种这样的铝合金具有重要的实际意义，即Al-Zn-Hg系合金、Al-Zn-In系合金和Al-Zn-Sn系合金。它们有一个共同点，即都添加有一定含量的Zn。

　　溶液pH值对铝的腐蚀速度和电位有很大影响。pH值在3～9范围内时，铝溶解而在其防腐用铝基阳极材料表面形成含水氧化铝（ALbO）HO），从而形成高电阻膜，导致铝的钝化。该钝化膜电位较高，溶解速度很慢。当pH>9时，铝的溶解产物部分形成铝酸盐，含水氧化物开始溶解，这时铝的溶解速度增大，电位急剧地负移。在实际的海水、淡水或土壤中，pH值很少大于9，也很少小于3。因此铝在这些环境中通常呈钝性。作为牺牲阳极使用时，应通过合金化使铝合金表面活化。

　　Zn是铝合金阳极中主要的合金元素。在Al-Zn合金中，Zn含量小于40%时，合金易汗化。Zn含量小于10%的Al-Zn合金具有较高的电流效率。含5%Zn的Al-Zn合金组织为单相固溶体，具有很好的电化学性能和较大的阳极活性，钝化倾向非常小。因此，作为牺牲阳极的各种铝合全都有一定的Zn含量，一般为5%左右。

　　In对这类合金的阳极性能有较大影响。当合金中Si和杂质Fe的含量较多时，可以增加In的含量来抵消其有害作用。而当Si和杂质Fe的含量较少时，增加In含量反而会使合金性能下降。所以，铝合金中的In含量要适度，既要考虑使合金具备足够的活性，又要满足对电流效率的要求。In在铝合金以第二相的形式存在，在第二相中，In、Si、Fe、Cu的含量均高于合金的平均值。这类铝合金的活化很可能与第二相的作用有关。美国化学公司于1976年推出的Galvallum型铝合金就是这类合金的典型代表，其成分为Al-3Zn-0.015In 0.1Si。它在海水中具有优良的电化学性能，此外在海泥、热盐水及淡海水中也表现出良好的电化学性能，并已获得广泛应用。