京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第23732号 / 理博第4822号 / 新制||理||1690(附属図書館) / 京都大学大学院理学研究科化学専攻 / (主査)教授 北川 宏, 教授 吉村 一良, 教授 竹腰 清乃理 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DGAM

As ligas de Al utilizadas na indústria aeroespacial com finalidade estrutural apresentam microestrutura complexa devido aos tratamentos termo-mecânicos a que são submetidas visando o aumento da resistência mecânica. Estas ligas se caracterizam pela presença de um grande número de intermetálicos (IMs) em sua microestrutura, os quais possuem atividade eletroquímica diferente da matriz provocando problemas de corrosão localizada devido à formação de microcélulas galvânicas. Na última década a espectroscopia de impedância eletroquímica (LEIS) tem se estabelecido como uma poderosa técnica na elucidação de aspectos locais relacionados à corrosão, e também tem servido para estudos de aspectos teóricos referentes à distribuição de potencial e corrente na superfície de eletrodos e suas correlações com a reatividade superficial. Esta técnica se baseia na análise de diferentes impedâncias locais obtidas por meio de um bi-eletrodo posicionado nas proximidades do eletrodo de trabalho. O presente trabalho visa estudar a corrosão localizada da liga de Al 7475-T761, utilizada na estrutura de asas e na fuselagem de aeronaves, em meios contendo íons sulfato por meio de espectroscopia de impedância eletroquímica global (EIS) e por LEIS, associadas à caracterização microestrutural por MEV/EDS. Os resultados dos estudos com as técnicas eletroquímicas globais, juntamente com a caracterização microestrutural, confirmaram que o aumento local do pH devido à reação catódica sobre os IMs é um dos fatores mais importantes na incidência corrosão localizada da liga de Al. Este fenômeno leva à dissolução local da película passiva e a uma importante despolarização da reação de oxidação do Al com grande aumento da corrosão. Já os estudos com o eletrodo de disco rotatório (EDR) mostraram que os íons sulfato melhoram o desempenho da película passiva formada sobre a matriz da liga, e evidenciaram o ataque preferencial dos IMs ricos em cobre por estes íons. No que se refere aos estudos realizados com a LEIS, os mesmos foram desenvolvidos principalmente com pares galvânicos modelos Al 7475/Cu visando simular a atividade eletroquímica que ocorre na interface entre os IMs e a liga. Este enfoque apresentou um aspecto inovador ao empregar pela primeira vez uma liga comercial como um dos componentes de um par galvânico simulado em estudos com a LEIS. Os resultados obtidos com este estudo confirmaram as previsões de modelos teóricos já desenvolvidos para os efeitos da geometria do eletrodo sobre a reatividade na superfície do mesmo, e também mostraram que o bi-eletrodo foi sensível a pequenas mudanças na atividade eletroquímica na interface do par galvânico, o que foi confirmado pelas análises por MEV/EDS. Outro aspecto inovador do presente trabalho com relação ao uso da LEIS foi que, pela primeira vez, foi utilizado um tri-eletrodo para a obtenção dos diagramas de impedância locais. Este sistema permite medir simultaneamente as componentes radial e normal da corrente local, possibilitando um maior refinamento da compreensão dos fenômenos interfaciais locais. Os resultados das medidas com este novo sistema apresentaram boa concordância com o modelo teórico desenvolvido para a resposta de impedância local apresentado neste trabalho, indicando que o mesmo pode se constituir em uma poderosa ferramenta para uma melhor compreensão dos processos interfaciais locais. / Aluminum alloys used in the aerospace industry with structural purpose exhibit a complex microstructure due to thermal and mechanical treatments they are submitted for improving their strength. The microstructure of these alloys is characterized by the presence of a great number of intermetallic (IM) particles, the electrochemical activity of which is different from the matrix leading to the onset of localized corrosion phenomena associated with local galvanic cells. In the last decade local electrochemical impedance spectroscopy (LEIS) has been used as a powerful tool to elucidate local features associated with corrosion and also to study theoretical issues related to current and potential distributions at electrode surfaces and their correlation with surface reactivity. This technique is based on the calculation and analysis of different local impedances acquired by a bi-electrode probe positioned in the vicinity of the electrode surface. The aim of the present work is to study localized corrosion of Al alloy 7475-T761, used with structural purpose in aircraft wings and fuselages, in sulfate containing media using global electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and LEIS associated with microstructural characterization by SEM/EDS. The results of the investigations with the global techniques together with the microstructural characterization confirmed that local pH increasing at the matrix/IM interface due to the cathodic reaction on the IMs is the most important cause for the localized corrosion of the alloy. This process leads to local dissolution of the passive layer and to an important depolarization of the Al oxidation reaction leading to a great increase in the corrosion rate of the metal. On the other hand the investigations using the rotating disk electrode (RDE) revealed that sulfate ions increase the anticorrosion performance of the passive layer and are particularly aggressive at Cu-rich IMs. Regarding the studies with the LEIS technique they were mainly performed using an Al 7475/Cu model electrode aiming to simulate the electrochemical activity at the IM/alloy interface. This approach was new as, to the best of our knowledge, it was the first time a commercial alloy was used as one of the component of a model electrode for local electrochemical investigation. The results were in accordance with theoretical models already developed for the effects of geometry induced current and potential distributions on the electrode surface reactivity, and also showed that the bi-electrode was sensitive to minute change of the electrochemical activity at the interface of the galvanic couple, which was confirmed by SEM/EDS analysis. Another originality of the present work regarding the use of LEIS was that, for the first time, a tri-electrode was used to acquire the local impedance diagrams. This system allows the simultaneous measurement of the normal and radial components of the local current making possible a better comprehension of the local interfacial phenomena. The results of the measurements with this new system were in good agreement with the theoretical model for the local electrochemical response presented in this work, indicating that it can be a valuable tool for a better comprehension of the local interfacial processes.

As ligas de Al utilizadas na indústria aeroespacial com finalidade estrutural apresentam microestrutura complexa devido aos tratamentos termo-mecânicos a que são submetidas visando o aumento da resistência mecânica. Estas ligas se caracterizam pela presença de um grande número de intermetálicos (IMs) em sua microestrutura, os quais possuem atividade eletroquímica diferente da matriz provocando problemas de corrosão localizada devido à formação de microcélulas galvânicas. Na última década a espectroscopia de impedância eletroquímica (LEIS) tem se estabelecido como uma poderosa técnica na elucidação de aspectos locais relacionados à corrosão, e também tem servido para estudos de aspectos teóricos referentes à distribuição de potencial e corrente na superfície de eletrodos e suas correlações com a reatividade superficial. Esta técnica se baseia na análise de diferentes impedâncias locais obtidas por meio de um bi-eletrodo posicionado nas proximidades do eletrodo de trabalho. O presente trabalho visa estudar a corrosão localizada da liga de Al 7475-T761, utilizada na estrutura de asas e na fuselagem de aeronaves, em meios contendo íons sulfato por meio de espectroscopia de impedância eletroquímica global (EIS) e por LEIS, associadas à caracterização microestrutural por MEV/EDS. Os resultados dos estudos com as técnicas eletroquímicas globais, juntamente com a caracterização microestrutural, confirmaram que o aumento local do pH devido à reação catódica sobre os IMs é um dos fatores mais importantes na incidência corrosão localizada da liga de Al. Este fenômeno leva à dissolução local da película passiva e a uma importante despolarização da reação de oxidação do Al com grande aumento da corrosão. Já os estudos com o eletrodo de disco rotatório (EDR) mostraram que os íons sulfato melhoram o desempenho da película passiva formada sobre a matriz da liga, e evidenciaram o ataque preferencial dos IMs ricos em cobre por estes íons. No que se refere aos estudos realizados com a LEIS, os mesmos foram desenvolvidos principalmente com pares galvânicos modelos Al 7475/Cu visando simular a atividade eletroquímica que ocorre na interface entre os IMs e a liga. Este enfoque apresentou um aspecto inovador ao empregar pela primeira vez uma liga comercial como um dos componentes de um par galvânico simulado em estudos com a LEIS. Os resultados obtidos com este estudo confirmaram as previsões de modelos teóricos já desenvolvidos para os efeitos da geometria do eletrodo sobre a reatividade na superfície do mesmo, e também mostraram que o bi-eletrodo foi sensível a pequenas mudanças na atividade eletroquímica na interface do par galvânico, o que foi confirmado pelas análises por MEV/EDS. Outro aspecto inovador do presente trabalho com relação ao uso da LEIS foi que, pela primeira vez, foi utilizado um tri-eletrodo para a obtenção dos diagramas de impedância locais. Este sistema permite medir simultaneamente as componentes radial e normal da corrente local, possibilitando um maior refinamento da compreensão dos fenômenos interfaciais locais. Os resultados das medidas com este novo sistema apresentaram boa concordância com o modelo teórico desenvolvido para a resposta de impedância local apresentado neste trabalho, indicando que o mesmo pode se constituir em uma poderosa ferramenta para uma melhor compreensão dos processos interfaciais locais. / Aluminum alloys used in the aerospace industry with structural purpose exhibit a complex microstructure due to thermal and mechanical treatments they are submitted for improving their strength. The microstructure of these alloys is characterized by the presence of a great number of intermetallic (IM) particles, the electrochemical activity of which is different from the matrix leading to the onset of localized corrosion phenomena associated with local galvanic cells. In the last decade local electrochemical impedance spectroscopy (LEIS) has been used as a powerful tool to elucidate local features associated with corrosion and also to study theoretical issues related to current and potential distributions at electrode surfaces and their correlation with surface reactivity. This technique is based on the calculation and analysis of different local impedances acquired by a bi-electrode probe positioned in the vicinity of the electrode surface. The aim of the present work is to study localized corrosion of Al alloy 7475-T761, used with structural purpose in aircraft wings and fuselages, in sulfate containing media using global electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and LEIS associated with microstructural characterization by SEM/EDS. The results of the investigations with the global techniques together with the microstructural characterization confirmed that local pH increasing at the matrix/IM interface due to the cathodic reaction on the IMs is the most important cause for the localized corrosion of the alloy. This process leads to local dissolution of the passive layer and to an important depolarization of the Al oxidation reaction leading to a great increase in the corrosion rate of the metal. On the other hand the investigations using the rotating disk electrode (RDE) revealed that sulfate ions increase the anticorrosion performance of the passive layer and are particularly aggressive at Cu-rich IMs. Regarding the studies with the LEIS technique they were mainly performed using an Al 7475/Cu model electrode aiming to simulate the electrochemical activity at the IM/alloy interface. This approach was new as, to the best of our knowledge, it was the first time a commercial alloy was used as one of the component of a model electrode for local electrochemical investigation. The results were in accordance with theoretical models already developed for the effects of geometry induced current and potential distributions on the electrode surface reactivity, and also showed that the bi-electrode was sensitive to minute change of the electrochemical activity at the interface of the galvanic couple, which was confirmed by SEM/EDS analysis. Another originality of the present work regarding the use of LEIS was that, for the first time, a tri-electrode was used to acquire the local impedance diagrams. This system allows the simultaneous measurement of the normal and radial components of the local current making possible a better comprehension of the local interfacial phenomena. The results of the measurements with this new system were in good agreement with the theoretical model for the local electrochemical response presented in this work, indicating that it can be a valuable tool for a better comprehension of the local interfacial processes.

The relationship between post-mortem state and changes of biological tissue impedance has been investigated to serve as a basis for developing an in-vitro measurement method for monitoring the freshness of meat. The main challenges thereby are the reproducible measurement of the impedance of biological tissues and the classification method of their type and state. In order to realize reproducible tissue bio-impedance measurements, a suitable sensor taking into account the anisotropy of the biological tissue has been developed. It consists of cylindrical penetrating multi electrodes realizing good contacts between electrodes and the tissue. Experimental measurements have been carried out with different tissues and for a long period of time in order to monitor the state degradation with time. Measured results have been evaluated by means of the modified Fricke-Cole-Cole model. Results are reproducible and correspond to the expected behavior due to aging. An appropriate method for feature extraction and classification has been proposed using model parameters as features as input for classification using neural networks and fuzzy logic. A Multilayer Perceptron neural network (MLP) has been proposed for muscle type computing and the age computing and respectively freshness state of the meat. The designed neural network is able to generalize and to correctly classify new testing data with a high performance index of recognition. It reaches successful results of test equal to 100% for 972 created inputs for each muscle. An investigation of the influence of noise on the classification algorithm shows, that the MLP neural network has the ability to correctly classify the noisy testing inputs especially when the parameter noise is less than 0.6%. The success of classification is 100% for the muscles Longissimus Dorsi (LD) of beef, Semi-Membraneous (SM) of beef and Longissimus Dorsi (LD) of veal and 92.3% for the muscle Rectus Abdominis (RA) of veal. Fuzzy logic provides a successful alternative for easy classification. Using the Gaussian membership functions for the muscle type detection and trapezoidal member function for the classifiers related to the freshness detection, fuzzy logic realized an easy method of classification and generalizes correctly the inputs to the corresponding classes with a high level of recognition equal to 100% for meat type detection and with high accuracy for freshness computing equal to 84.62% for the muscle LD beef, 92.31 % for the muscle RA beef, 100 % for the muscle SM veal and 61.54% for the muscle LD veal. / Auf der Basis von Impedanzspektroskopie wurde ein neuartiges in-vitro-Messverfahren zur Überwachung der Frische von biologischem Gewebe entwickelt. Die wichtigsten Herausforderungen stellen dabei die Reproduzierbarkeit der Impedanzmessung und die Klassifizierung der Gewebeart sowie dessen Zustands dar. Für die Reproduzierbarkeit von Impedanzmessungen an biologischen Geweben, wurde ein zylindrischer Multielektrodensensor realisiert, der die 2D-Anisotropie des Gewebes berücksichtigt und einen guten Kontakt zum Gewebe realisiert. Experimentelle Untersuchungen wurden an verschiedenen Geweben über einen längeren Zeitraum durchgeführt und mittels eines modifizierten Fricke-Cole-Cole-Modells analysiert. Die Ergebnisse sind reproduzierbar und entsprechen dem physikalisch-basierten erwarteten Verhalten. Als Merkmale für die Klassifikation wurden die Modellparameter genutzt.