前言
鋼材的使用幾乎遍及各行各業及生活的每個角落，腐蝕所帶來的影響和災害雖悄無聲息，卻如同地震，火災一樣，具有極強的破壞力。根據統計，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經濟損失可達8000億~10000億美元，約為颱風、地震、洪水等自然災害的4~6倍，由此可見，腐蝕所造成的經濟損失是如此龐大。
為什麼要研究鏽層組成？
根據1998年腐蝕調查的結果，在中國腐蝕問題造成的損失已達到2800億元。車輛、橋樑、建築塔架等鋼材長期暴露於大氣之中，腐蝕是造成其性能下降甚至損壞的重要原因。對於建築物中的鋼材，銹蝕會直接影響到建築結構和構件的承載能力，銹蝕膨脹會影響混凝土結構，發生層裂和鏽脹裂縫，嚴重時甚至可能造成橋樑或建築的結構提前失效甚至倒塌。而且鋼材腐蝕生成的紅鏽在流淌時也會嚴重影響周邊的混凝土建築物和環境，因此鋼材腐蝕問題一直是研究的熱點。
對於鋼材而言，其耐蝕機理與鏽層的組成結構密切相關。在部分國家，主要使用X射線和紅外光譜儀進行腐蝕鏽層的成分及結構分析。此法需要對鏽層進行取樣，且存在較大的人為誤差；而拉曼光譜毋須取樣，可以直接對基體上不同點位處的鏽層進行原位無損檢測，檢測結果快速準確。
目前，台灣如海光電的RMS1000-785拉曼光譜模組，可以對鋼材銹蝕層的不同點位進行原位檢測，亦可搭配顯微儀器實現拉曼顯微檢測。測得的拉曼譜圖與資料庫及文獻對比，可有效地辨別出不同的銹蝕成分，實現鋼材鏽蝕之研究。
基本原理
拉曼光譜是通過高能量、窄線寬雷射激發樣品的拉曼散射訊號，利用光纖光譜儀探測接收不同波數的拉曼散射訊號。由於拉曼光譜本身具有高特異性，不同物質不同結構的拉曼光譜理論上並不相同，因此拉曼光譜又被稱為“指紋光譜”。其由於快速、無損、準確的特點廣泛運用在各個領域。
實驗儀器搭建及樣品
本次檢測使用如海光電785nm微型拉曼光譜儀RMS1000-785，並搭配顯微鏡和顯微拉曼適配模組。
圖 1 RMS1000搭配顯微拉曼成像
圖2 鋼板鏽層試樣
實驗過程
在鋼板鏽層上選擇五個檢測點位，實驗樣品編號為a、b、c、d、e。a點為黑色鏽層，b、c、e分別為不同位置、不同顏色深淺的黃色鏽層，d為白色鏽層。分別對五個樣品點位的鏽層進行顯微成像和拉曼檢測。
圖3 採樣點位置示意圖
五個樣品點位的成像圖：
用RMS1000-785對樣品進行測試，並對樣品拉曼光譜進行預處理去除基線後可得到下圖譜：
圖4 785nm激發拉曼測試結果
圖4顯示，不同顏色鏽層有明顯不同的拉曼訊號峰，且拉曼訊號集中在1500cm-1以下的低波數區域。
其中黑色鏽層在214cm-1、283cm-1、401cm-1、486cm-1、604cm-1處出現明顯的拉曼訊號峰，且486cm-1和604cm-1處訊號峰為黑色鏽層區別於其他鏽層的拉曼訊號。
圖5 黑色鏽層拉曼訊號
白色區域在275cm-1、709cm-1、1087cm-1處有明顯的拉曼訊號峰，其中709cm-1處和1087cm-1處拉曼峰位與其他顏色鏽層訊號區分度明顯。
圖6 白色鏽層拉曼訊號
三個黃色區域採樣點訊號有所差異，b點在211cm-1、278cm-1、396cm-1有拉曼訊號，c點在240cm-1、283cm-1、387cm-1處有拉曼訊號，e點在216cm-1、242cm-1、248cm-1、394cm-1處有拉曼訊號。
圖7 黃色鏽層拉曼訊號
各採樣點位元拉曼訊號峰位元如下：
各採樣點拉曼峰位
實驗結論
本實驗利用顯微拉曼系統採集了五個區域，三種不同顏色的樣品拉曼光譜。實驗結果顯示不同顏色鏽層間的拉曼訊號峰位元差異較大，使用785nm拉曼可對不同顏色鏽層進行區分。
樣品訊號中可觀察到Fe2O3的峰位（a點283cm-1，b點278cm-1，c點283cm-1，d點275cm-1），可觀察到羥基氧化鐵α-FeOOH的峰位（a點401cm-1，b點396cm-1，c點387cm-1，e點394cm-1），α-FeOOH中O-H彎曲振動特徵峰為397cm-1。
參考文獻
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