Nb金屬片在草酸溶液中的陽(yáng)極氧化著色.pdf

1、鈮屬于高熔點(diǎn)金屬，其熔點(diǎn)高達(dá)2468℃。其優(yōu)良的防腐性能，源自于表面極易生成薄的氧化膜。鈮及其氧化物被廣泛的應(yīng)用到波導(dǎo)、催化、太陽(yáng)能以及其它電子設(shè)備中。Nb3Sn和Nb3Al被應(yīng)用到超導(dǎo)線圈的研究和生產(chǎn)中。Nb2O5由于其獨(dú)特的物理化學(xué)性能，比如折射率較大、禁帶寬度較寬、化學(xué)穩(wěn)定性好、防腐性能優(yōu)良等，已被廣泛應(yīng)用到了很多現(xiàn)代科技領(lǐng)域，比如干涉濾波器、電化學(xué)著色薄膜以及氣敏傳感器等等。與Ta2O5相比，其更高的介電常數(shù)以及在自然界比較豐富

2、的儲(chǔ)存量，使得Nb2O5成為了Ta2O5/Ta電容器中Ta2O5的理論替代物。除此之外，更重要的是Nb和Ti、Zn、Al等金屬一樣，在高溫含氧氣氛中或者直流/交流電化學(xué)陽(yáng)極氧化條件下表面可以生成具有可見(jiàn)光范圍內(nèi)大部分色彩的鈍化膜。這些表觀顏色來(lái)自于空氣/氧化物薄膜界面以及氧化物薄膜/金屬基底界面上發(fā)生的光干涉作用。正是由于這一特性，著色的Nb已經(jīng)吸引了大量學(xué)者的研究和關(guān)注，將其作為一種具有前景的基底來(lái)實(shí)現(xiàn)高效彩色的藝術(shù)展覽品。奧地利鑄幣

3、局分別在2003年、2004年以及2005年將Nb作為鑄幣材料與Ag混合，發(fā)行了藍(lán)色、綠色、紫色三種具有特殊意義的Ag/Nb合金紀(jì)念幣。Nb也曾被用作藝術(shù)品原材料，加工成各式各樣色澤艷麗的珠寶、戒指、耳環(huán)等等。因此，為了滿(mǎn)足Nb的在藝術(shù)品以及裝飾行業(yè)的應(yīng)用和需要，研究一套簡(jiǎn)便成熟的著色工藝非常必要。
　　本文以反應(yīng)比較溫和的草酸作為電解質(zhì)，通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極氧化法研究了金屬鈮片的著色工藝及結(jié)果。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出了以下結(jié)論:(1)0.05

4、mol/L的草酸溶液中，短時(shí)間內(nèi)(10s)通過(guò)改變電壓從15V至130V可非常容易地獲得十幾種光鮮明亮的顏色;(2)通過(guò)分析一系列有關(guān)溫度和溶液濃度與著色結(jié)果的關(guān)系發(fā)現(xiàn)濃度對(duì)色彩沒(méi)有明顯的影響，但是室溫時(shí)鈮片表面的顏色不如在加熱條件下（40℃或70℃）鮮艷亮麗，且電壓不變的情況下溫度越高得到同一種色彩所需要的時(shí)間越短;(3)對(duì)于同一種顏色，在高電壓下需要的反應(yīng)時(shí)間比低電壓下短;(4)集合不同電壓、時(shí)間內(nèi)所有的著色樣品可發(fā)現(xiàn)它們幾乎涵蓋了

5、可見(jiàn)光范圍內(nèi)大部分能分辨出的顏色。最后結(jié)合時(shí)間、溫度、電解質(zhì)濃度、電壓以及氧化時(shí)間對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，探索出了一套合理、簡(jiǎn)便易行的Nb金屬表面著色工藝。
　　通過(guò)EDS、XPS和XRD等成分和晶體結(jié)構(gòu)測(cè)試手段確定了彩色薄膜的組成成分、元素價(jià)態(tài)以及晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，著色鈮片表面的鈍化薄膜主要是非晶或者結(jié)晶態(tài)的Nb2O5，其晶體結(jié)構(gòu)與氧化電壓和反應(yīng)時(shí)間有關(guān)。通過(guò)場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對(duì)表面形貌進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)，如果電壓不

6、超過(guò)100V時(shí)，所得樣品的表面薄膜均勻致密。但是電壓過(guò)高或者延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間至一定值時(shí)，表面會(huì)有裂紋坑洞等缺陷出現(xiàn)。除此之外，還通過(guò)劃痕實(shí)驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)對(duì)體系的膜/基結(jié)合力、硬度等機(jī)械性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。利用橢圓偏振光譜儀(SE)對(duì)不同顏色的Nb片表面氧化膜厚度進(jìn)行測(cè)試。
　　結(jié)合成分檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)出不同顏色的主要原因是薄膜厚度不同。薄膜的厚度對(duì)著色結(jié)果產(chǎn)生了直接的影響。發(fā)生這一現(xiàn)象的主要理論基礎(chǔ)即薄膜干涉原理:可見(jiàn)光在空氣/氧化

7、物界面以及氧化物/金屬界面上的相長(zhǎng)干涉作用，使不同厚的的光學(xué)薄膜呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)時(shí)間和著色結(jié)果之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，在相同的反應(yīng)時(shí)間下，電壓越高薄膜越厚，在不同的外加電壓下，顏色和時(shí)間之間的關(guān)系存在一定差異。電壓較低時(shí)(15V、30V)，顏色變化比較慢，只有兩種或三種。當(dāng)電壓升高時(shí)(65V-100V)，顏色隨時(shí)間持續(xù)變化，可獲得幾十種不同的色彩。但是，如果電壓過(guò)高(120V、125V、130V)，短時(shí)間內(nèi)即可表現(xiàn)出綠色，并且隨著時(shí)間延長(zhǎng)