GB/T 39482.3-2020 涂漆和未涂漆金属试样的电化学阻抗谱(EIS) 第3部分:从模拟电解池获得数据的处理和分析 | 梦能涂料每日解读标准
核心定位： 高阻抗涂漆试样EIS试验装置性能的“国家级校验标尺”。本标准规定了利用模拟电解池评估高阻抗涂漆试样电化学阻抗谱(EIS)试验装置的程序，并提供试验测试、曲线拟合与数据表示的指南。通过设定等效电路及元件参数、明确精度要求与测试条件，可有效检验EIS系统性能，实验室间比对显示已知元件电解池测试精密度良好而含未知元件电解池较差。建议测试在法拉第箱中进行并按指定频率与振幅操作，采用等效电路分析数据、绘制Bode图比对结果，并在报告中记录完整试验细节以便验证系统可靠性。
一、 标准基本信息
| 项目 | 内容 |
|---|---|
| 标准编号 | GB/T 39482.3-2020 |
| 发布/实施 | 2020-11-19发布 / 2021-10-01实施 |
| ICS | 87.040 G 50 |
| 适用范围 | 从模拟电解池获得的涂漆和未涂漆金属试样的EIS数据的处理和分析。 |
| 核心内容 | 规定了模拟电解池的描述、步骤、数据分析、结果的表示、测试系统的验收标准、试验报告以及重复性和再现性。 |
| 归口单位 | 全国涂料和颜料标准化技术委员会(SAC/TC 5)。 |
二、 核心术语与定义（第3章）
| 术语 | 定义 | 梦能涂料工程意义 |
|---|---|---|
| 模拟电解池 | 一组含有四个等效电路的装置，用于检验总体的试验装置。 | 这是本标准的核心工具，用于模拟高阻抗涂漆试样的电化学行为，检验EIS系统的性能。 |
| 等效电路 | 由电阻器和电容器组成的组合系统，用于测试高阻抗涂漆试样。 | 等效电路A和B分别用于模拟不同类型的涂层体系，是数据分析的基础。 |
| Bode图 | 阻抗模值和相位角随频率变化的图谱。 | Bode图是EIS数据表示的标准形式，用于比对测试结果和拟合数据。 |
三、 模拟电解池的描述（第3章）
3.1 总则： 一组含有四个等效电路的装置(模拟电解池)用于检验总体的试验装置。模拟电解池应单独安装，采用A和B两种类型的等效电路(见图1)。这四个电解池限定的电路元件数值见表1。
图1 模拟电解池的等效电路
| 电路类型 | 电路结构 |
|---|---|
| 等效电路A | R1与C1并联 |
| 等效电路B | R1与C1并联后，再与R2和C2的并联电路串联 |
表1 模拟电解池元件的数值
| 模拟电解池 | 电路 | R1/GΩ | R2/GΩ | C1/nF | C2/nF |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | A | 50 | — | 0.15 | — |
| 2 | B | 1 | 10 | 0.15 | 0.47 |
| 3 | B | 1 | 0.2 | 0.1 | 20 |
| 4 | B | 0.1 | 0.1 | 10 | 10 |
3.3 元件的精度要求： 低于109 Ω电阻器的精度要求是±2%，高于109 Ω电阻器的精度要求是±5%。电容器的精度要求为±5%。这些规格的电阻器和电容器均可以从市场上获得。
梦能涂料解读： 模拟电解池是标准的核心工具。四个电解池采用两种等效电路（A和B），元件数值覆盖了不同的阻抗范围。电解池1用于检验输入电阻和电容，电解池2~4用于检验区分微小差别的能力。元件精度要求是验收标准的基础：电阻器±2%（<109 Ω）或±5%（≥109 Ω），电容器±5%。
四、 步骤（第4章）
4： 为了降低电磁波干扰，所有的测试应在法拉第箱中进行。
注： 四个模拟电解池都允许合理地使用屏蔽技术(即法拉第箱)，以帮助找到实验室中电磁噪声最低的位置。
在零电压的直流状态下，根据生产商推荐的恒电压模式进行测量，测试振幅为20 mV(峰值到零点)。
以图2中的连接器对1或连接器对2连接电化学工作站的工作电极，另外一个连接器对连接电化学工作站的参比电极和辅助电极，构成双电极体系。
对于模拟电解池1，推荐使用的频率范围为5×10-3 Hz~103 Hz。对于模拟电解池2~模拟电解池4，推荐使用的频率范围为10-2 Hz~104 Hz。每个单独的测试，需要30 min~40 min，对于模拟电解池1，则需要大约1 h。
每个频率数量级不应少于6个测试点。
如果采用20 mV的振幅得到的测试结果不理想，则应增大振幅。
梦能涂料解读： 步骤是标准的核心操作指南。关键参数包括：法拉第箱屏蔽、20 mV振幅（峰值到零点）、双电极体系、频率范围（电解池1：5×10-3 Hz~103 Hz；电解池2~4：10-2 Hz~104 Hz）、每数量级≥6个测试点、测试时间（30 min~40 min，电解池1约1 h）。如果20 mV结果不理想，应增大振幅。
五、 数据分析（第5章）
5： 采用由电化学工作站制造商提供的合适的软件，用等效电路A分析模拟电解池(见表1)的测试结果。记录曲线拟合的结果、电路元件的理论数值以及所采用的激发电位。
注： 不同的制造厂家之间所给数据的曲线拟合误差有差异，因此，无法进行直接比较。
用实测和拟合的数据绘制Bode图。
注： 虽然曲线拟合误差无法进行对比，但是根据Bode图可以判断测量数据的质量，尤其是在低频区域。
采用等效电路B重复分析电解池2~电解池4(见表1)的测试结果。
梦能涂料解读： 数据分析是标准的核心。采用等效电路A分析电解池1，采用等效电路B分析电解池2~4。记录曲线拟合结果、理论数值和激发电位。Bode图是判断数据质量的关键工具，特别是在低频区域。不同厂家的拟合误差无法直接比较，但Bode图可直观判断数据质量。
六、 结果的表示（第6章）
6： 为了比对，应提供Bode图的测试结果。
图3给出了采用不同模拟电解池获得的Bode图的形状。这些图采用拟合软件获得，能用于模拟电解池测试结果的对比。
图3 模拟电解池和未知电解池获得的拟合阻抗图谱中的Bode图
说明：
X——log[频率f，单位为赫兹(Hz)];
Y1——log|Z|[单位为欧姆(Ω)];
Y2——|φ|[单位为度(°)];
1——相位角φ;
2——阻抗Z。
梦能涂料解读： 结果的表示是标准的核心。Bode图是EIS数据表示的标准形式，包含阻抗模值（log|Z|）和相位角（|φ|）随频率（log f）的变化。图3给出了四个模拟电解池和未知电解池的Bode图示例，可用于测试结果的比对。
七、 测试系统的验收标准（第7章）
7： EIS测试系统应能测试和提取模拟电解池中电容器和电阻器的数值。电子元件拟合数据与真实数据(见表1)之间的误差不应超过模拟电解池中元件允许的精度限值。过大的数据误差表明EIS测试系统存在试验问题或者系统操作错误。
注： ISO 16773-2给出了指南。
梦能涂料解读： 验收标准是标准的核心。拟合数据与真实数据的误差不应超过元件精度限值（电阻器±2%或±5%，电容器±5%）。过大的误差表明系统存在问题或操作错误。这一验收标准是检验EIS系统性能的量化判据。
八、 试验报告（第8章）
8： 如果需要模拟电解池测试文件的试验报告，至少应包括以下信息：
a) 完全识别模拟电解池及其元件精度所必要的全部细节;
b) 注明本部分编号;
c) 如果与ISO 16773-2:2016中6.7.2的规定不同，应注明状态调节和试验过程中的温度和相对湿度;
d) 使用的试验方法包括激发条件和试验持续时间，尤其是：1)频率范围; 2)振幅;
e) 采用相应的等效电路与测量数据进行拟合的结果，如第5章所示;
f) 与规定试验方法的任何不同之处;
g) 试验期间观察到的任何异常现象;
h) 试验日期。
梦能涂料解读： 试验报告需包含8项内容，涵盖电解池细节、标准编号、环境条件、试验方法（频率范围、振幅）、拟合结果、程序偏离、异常现象和试验日期。完整的报告是确保测试结果可追溯性的基础。
九、 重复性和再现性（第9章）
9： 为了测定高阻抗体系的精密度数据，进行了实验室间的比对试验，详细情况如下。低阻抗体系精密度数据参见ASTM G106。
主要来自欧美国家的十四家实验室参与了实验室间的比对试验，其目的是为了评估试验程序的重复性和再现性。每个实验室采用四个模拟电解池(见表1)和第五个含有未知元件的电解池(等效电路B)进行测试。
在测量值可以接受的情况下(第7章)，发现测量值的重复性非常好，实验室测量之间的偏差优于电路元件的精度。
电解池1~电解池5进行测量的再现性可以通过表2~表6进行评估。可以看出，并不是每一个实验室都能用电解池1进行足够精确的测试。所有的实验室采用电解池2都没有问题。尽管大多数实验室采用电解池3和电解池4都能测出准确的数值，但是对于某些实验室来说还有一定的难度。
表2 电解池1测试的再现性
| 实验室 | R/GΩ | C/pF | 振幅/mV | R的误差/% | C的误差/% | 总误差/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 28 | 195 | 50 | 44.0 | 30.0 | 74.0 |
| 2 | 44 | 180 | 50 | 12.0 | 20.0 | 32.0 |
| 3 | 50 | 155 | 20 | 0.0 | 3.3 | 3.3 |
| 4 | 50 | 150 | 20 | 0.0 | 0.0 | 0.0 |
| 5 | 52 | 170 | 20 | 4.0 | 13.3 | 17.3 |
| 6 | 52 | 155 | 20 | 4.0 | 3.3 | 7.3 |
| 7 | 52 | 155 | 20 | 4.0 | 3.3 | 7.3 |
| 8 | 52 | 160 | 20 | 4.0 | 6.7 | 10.7 |
| 9 | 54 | 155 | 20 | 8.0 | 3.3 | 11.3 |
| 10 | 54 | 155 | 20 | 8.0 | 3.3 | 11.3 |
| 11 | 54 | 210 | 14 | 8.0 | 40.0 | 48.0 |
| 12 | 56 | 160 | 20 | 12.0 | 6.7 | 18.7 |
| 13 | 58 | 155 | 20 | 16.0 | 3.3 | 19.3 |
| 14 | N.A. | N.A. | 20 | N.A. | N.A. | N.A. |
| 平均值 | 50.46 | 165.77 | ||||
| 标准偏差 | 7.53 | 18.35 | ||||
| 中值 | 52 | 155 |
表3 电解池2测试的再现性
| 实验室 | R1/GΩ | C1/nF | R2/GΩ | C2/nF | 振幅/mV | R1误差/% | C1误差/% | R2误差/% | C2误差/% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1.01 | 0.15 | 10.4 | 0.46 | 14 | 1 | 0 | 4 | 2 |
| 2 | 0.995 | 0.16 | 10 | 0.48 | 20 | 0.5 | 7 | 0 | 2 |
| 3 | 1.005 | 0.18 | 10.7 | 0.47 | 20 | 0.5 | 20 | 7 | 0 |
| 4 | 1.01 | 0.155 | 10.6 | 0.465 | 20 | 1 | 3 | 6 | 1 |
| 5 | 1.005 | 0.15 | 10.7 | 0.46 | 20 | 0.5 | 0 | 7 | 2 |
| 6 | 1.01 | 0.16 | 10.2 | 0.47 | 20 | 1 | 7 | 2 | 0 |
| 7 | 1.01 | 0.15 | 10.3 | 0.46 | 20 | 1 | 0 | 3 | 2 |
| 8 | 1 | 0.15 | 10.4 | 0.465 | 20 | 0 | 0 | 4 | 1 |
| 9 | 1.01 | 0.155 | 10.4 | 0.47 | 20 | 1 | 3 | 4 | 0 |
| 10 | 1.01 | 0.15 | 10.5 | 0.46 | 20 | 1 | 0 | 5 | 2 |
| 11 | 1 | 0.2 | 10.2 | 0.44 | 20 | 0 | 33 | 2 | 6 |
| 12 | 1.005 | 0.16 | 10.3 | 0.47 | 20 | 0.5 | 7 | 3 | 0 |
| 13 | 1.09 | 0.18 | 10.2 | 0.4 | 50 | 9 | 20 | 2 | 15 |
| 14 | 0.87 | 0.18 | 9.1 | 0.45 | 50 | 13 | 20 | 9 | 4 |
| 平均值 | 1.00 | 0.16 | 10.29 | 0.46 | |||||
| 标准偏差 | 0.04 | 0.02 | 0.40 | 0.02 |
梦能涂料解读： 重复性和再现性是标准的核心验证数据。14家实验室的比对试验表明：电解池1（高阻抗50 GΩ）的测试难度最大，部分实验室误差较大；电解池2（中等阻抗）的测试结果最好，所有实验室均能准确测量；电解池3和4（低阻抗）对部分实验室有难度。电解池5（未知元件）的精密度明显差于已知元件电解池。这一数据为EIS系统的性能评估提供了实际参考。
十、 关键工程要点（梦能涂料解读）
1. 法拉第箱的必要性： 标准强调所有测试应在法拉第箱中进行，以降低电磁波干扰。高阻抗涂漆试样的测试更容易受外界因素的电磁干扰。在工程应用中，建议将模拟电解池放入法拉第箱中测试，以找到实验室中电磁噪声最低的位置。
2. 测试振幅的选择： 标准推荐测试振幅为20 mV（峰值到零点）。如果采用20 mV的振幅得到的测试结果不理想，则应增大振幅。在工程应用中，建议先采用20 mV进行测试，如结果不理想再逐步增大振幅。
3. 频率范围的选择： 电解池1（高阻抗）推荐频率范围为5×10-3 Hz~103 Hz，测试时间约1 h。电解池2~4（中低阻抗）推荐频率范围为10-2 Hz~104 Hz，测试时间30 min~40 min。在工程应用中，需根据模拟电解池的类型选择合适的频率范围。
4. 数据点的数量要求： 每个频率数量级不应少于6个测试点。这一要求确保数据的密度和代表性。在工程应用中，建议每数量级设置6~10个测试点，以获得高质量的EIS数据。
5. Bode图的重要性： Bode图是判断数据质量的关键工具，尤其是在低频区域。虽然不同厂家的拟合误差无法直接比较，但Bode图可直观判断数据质量。在工程应用中，建议同时提供实测和拟合的Bode图，以便比对。
6. 验收标准的应用： 拟合数据与真实数据的误差不应超过元件精度限值（电阻器±2%或±5%，电容器±5%）。在工程应用中，建议将这一验收标准作为EIS系统性能的日常校验依据。
7. 实验室间比对的意义： 14家实验室的比对试验表明，已知元件电解池的测试精密度良好，而含未知元件电解池的精密度较差。在工程应用中，建议使用已知元件电解池进行系统校验，以确保测试结果的可靠性。
8. 与相关标准的关联： 本标准是GB/T 39482系列的第3部分，与第1部分（术语和定义）、第2部分（数据采集）、第4部分（谱图示例）共同构成完整的EIS标准体系。在工程应用中，需结合其他部分综合实施。
十一、 核心总结
GB/T 39482.3-2020的核心逻辑清晰：通过模拟电解池（4个已知元件+1个未知元件）模拟高阻抗涂漆试样的电化学行为，通过法拉第箱屏蔽（降低电磁干扰）确保测试环境，通过等效电路分析（电路A和B）实现元件数值的提取，通过Bode图（log|Z|和|φ| vs. log f）实现数据表示和比对，通过验收标准（拟合误差≤元件精度）检验系统性能，通过实验室间比对（14家实验室）验证方法的精密度。其中，模拟电解池（表1）是校验工具的核心，测试条件（法拉第箱、20 mV、频率范围、≥6点/数量级）是确保数据质量的关键，验收标准（元件精度限值）是系统性能的量化判据，Bode图是数据表示和比对的标准化形式。本标准为高阻抗涂漆试样EIS试验装置的校验提供了完整的技术依据，是涂料行业EIS测试领域的重要标准。