Obsah. Analýza povrchu (Nadpis 1) Shrnutí (Nadpis 2) Úvod (Nadpis 2)

Transkript

1 Obsah Analýza povrchu (Nadpis 1)... 1 Shrnutí (Nadpis 2)... 1 Úvod (Nadpis 2)... 1 Povrch, vakuum (Nadpis 2)... 2 Vzorky... 2 Principy (Nadpis 2)... 5 XPS (Nadpis 3)... 5 Kvantifikace a určování vazebných posunů (Nadpis 2)... 5 Závěr (Nadpis 1)... 5 Literatura (Nadpis 1)... 5 Analýza povrchu (Nadpis 1) Shrnutí (Nadpis 2) Cílem příspěvku je seznámení s dynamicky se rozvíjející oblastí metod analýz povrchu. Jedná se stále o poněkud výlučnou oblast, ale informace o stavu povrchu na úrovni 10-9m nabývají v řadě oblastí na významu. V příspěvku je podán přehled těch metod analýz povrchu, které jsou v současnosti používány na relativně rutinní bázi a jsou shrnuty jejich možnosti. Spektrometry umožňující měření metodou fotoelektronové spektrometrie a/nebo spektrometrie Augerových elektronů, ač je jejich pořizovací cena stále značná, jsou v ČR k dispozici. Detailněji je charakterizováno zařízení ESCA Probe P dostupné na VŠCHT Praha. Je uveden příklad řešení problému z praxe. Odkaz na Obrázek 1 Obrázek 1. Obrázek Úvod (Nadpis 2) Analýza prvkového, kvalitativního i kvantitativního složení povrchu je v současnosti oborem využívajícím řadu experimentálních technik. Komerčně jsou běžně dostupné a frekventovaně užívané spektrometry analyzující energii elektronů a iontů emitovaných z povrchu studovaných materiálů. Tento příspěvek je zaměřen na využití analýzy povrchu při řešení korozních problémů, výběr byl proto zúžen na metody spektrometrie fotoelektronů a elektronů Augerových. Studie využívající uvedené techniky se v oblasti koroze objevily zhruba v polovině sedmdesátých let minulého století. Pokud bychom udělali analýzu výskytu publikací pomocí služby SciFinder (on-line verze databáze Chemical Abstracts), pak dojdeme na základě jednoduchých dotazů k následujícím výsledkům:

2 Povrch, vakuum (Nadpis 2) Asi nejběžnějšími a nejsnáze dostupnými metodami užívanými v současnosti pro analýzu materiálů jsou spektrometrie RTG záření. Informace o prvkovém složení vzorku je např. v případě EDS (RTG záření vyvolané primárním svazkem elektronového mikroskopu), získána z objemu materiálu daného zhruba průměrem svazku elektronů a hloubkou m. Při analýze povrchu je zpracováván signál dávající informaci o několika nejvrchnějších atomárních vrstvách vzorku, tj. z hloubky o 3 řády menší než v případě RTG mikrosondy. Vzorky Byly připraveny dvě řady betonových bloků (115 x 150 x 280 mm) se zabudovanou výztuží (Obrázek 2). Devět bloků bylo z betonu z portlandského cementu (OPC) s pevností v tlaku 35 až 40 MPa a s vodním součinitelem w/c 0,5 a devět z reprofilační cementovo akrylátové hmoty s pevností v tlaku 55 MPa. Jako ocelová výztuž byly použity žebírkové tyče z materiálu ČSN o průměru 12 mm s různou úpravou povrchu: otryskané (Sa 2 ½ dle ČSN EN ISO ), natřené (otryskané s dvouvrstvým cementovým nátěrem) a zokujené (dodávka od výrobce). Vždy tři tyče se stejným povrchem byly zabetonovány podélně s delší hranou podstavy betonového hranolu: první tyč 2,5 cm pod horní plochou a zbylé dvě tyče 2,5 cm nad dolní plochou (podle ASTM odstavec 6). Byly připraveny vždy tři paralelní betonové kvádry, u kterých byly dodrženy stejné podmínky, tj. složení betonu a úprava povrchu výztuže. Na Obrázek 4 a Obrázek 5 je časová závislost proudu v makročlánku pro oba druhy betonu a všechny tři stavy povrchu oceli. Ve všech vzorcích z reprofilační hmoty byly od začátku expozice pozorovány praskliny, nejzřetelnější ve vzorcích s natřenou výztuží (Obrázek 3). Z tohoto důvodu mohlo dojít k průniku chloridů i ke spodním výztužím a v důsledku toho ke ztrátě vypovídací schopnosti metody měření proudu v makročlánku. Kromě toho výrobce zkoušených přísad dodatečně požádal o to, aby zkoušky v tělesech z reprofilační hmoty nebyly vyhodnocovány. Danou hmotu totiž není přípustné používat v tak rozměrných objemech, jako jsou kvádry podle normy. Přesto všechno vizuální kontrola výztuží po ukončení testu potvrdila data z elektrochemického měření - nízké hodnoty proudu v makročlánku (Obrázek 5). Plocha napadení ocelových vzorků byla malá, pro horní výztuže max. 2 až 3 % oproti 10 až 40 % u vzorků v betonu OPC. Napadení dolní výztuže rovněž nesvědčilo o tom, že by v těchto místech v průběhu zkoušky stoupla koncentrace chloridů.

3 Obrázek 2. Uspořádání zkoušky. Obrázek 3. Detail betonových bloků ze sanační hmoty s prasklinami.

4 Proud v makročlánku ( A) 1000 Beton z OPC Výztuž Doba (dny) Obrázek 4. Časová závislost proudu v makročlánku v betonu z OPC. Obrázek 5. Časová závislost proudu v makročlánku v betonu ze sanační hmoty.

5 Principy (Nadpis 2) XPS (Nadpis 3) Metoda fotoelektronové spektroskopie je založena na fotoelektrickém jevu [1,2], tj. emisi elektronů z materiálu terče při jeho excitaci fotony dostatečné energie. Pro analytické účely začal být jev využíván v šedesátých letech minulého století na základě vývoje realizovaného K. Siegbahnem a jeho pracovní skupinou na univerzitě v Uppsale [3]. Základní schéma je uvedeno na Obrázek 6. Obrázek 6 Kvantifikace a určování vazebných posunů (Nadpis 2) Intenzita signálu je v obou metodách úměrná množství atomů emitujících elektrony dané energie na povrchu vzorku. Koncentraci složky na povrchu lze formálně vyjádřit vztahem: kde Ix je intenzita signálu a Sx experimentálně dostupný citlivostní faktor x-té komponenty. Závěr (Nadpis 1) Metody analýzy povrchu doplňují soubor technik, které jsou k dispozici pro hodnocení stavu materiálů. Aplikace uvedených spektroskopií je přesto poněkud specifická a k využití by mělo dojít po zralé úvaze a konzultaci s osobou poučenou. Literatura (Nadpis 1) 1. H. Hertz, Ann. Physik 31,983 (1887) 2. A. Einstein, Ann. Physik 17,132 (1905); 1921 Nobelova cena za fyziku 3. K. Siegbahn, et. al., Nova Acta Regiae Soc. Sci., Ser. IV, Vol. 20 (1967); 1981 Nobelova cena za fyziku 4. P. Auger, J. Phys. Radium Ann. Phys. 6, 205 (1925)