Nb金属片在草酸溶液中的阳极氧化着色

发布时间：2017-06-20 17:19

  本文关键词：Nb金属片在草酸溶液中的阳极氧化着色，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：铌属于高熔点金属,其熔点高达2468℃。其优良的防腐性能,源自于表面极易生成薄的氧化膜。铌及其氧化物被广泛的应用到波导、催化、太阳能以及其它电子设备中。Nb3Sn和Nb3Al被应用到超导线圈的研究和生产中。Nb2O5由于其独特的物理化学性能,比如折射率较大、禁带宽度较宽、化学稳定性好、防腐性能优良等,已被广泛应用到了很多现代科技领域,比如干涉滤波器、电化学着色薄膜以及气敏传感器等等。与Ta2O5相比,其更高的介电常数以及在自然界比较丰富的储存量,使得Nb2O5成为了Ta2O5/Ta电容器中Ta2O5的理论替代物。除此之外,更重要的是Nb和Ti、Zn、Al等金属一样,在高温含氧气氛中或者直流/交流电化学阳极氧化条件下表面可以生成具有可见光范围内大部分色彩的钝化膜。这些表观颜色来自于空气/氧化物薄膜界面以及氧化物薄膜/金属基底界面上发生的光干涉作用。正是由于这一特性,着色的Nb已经吸引了大量学者的研究和关注,将其作为一种具有前景的基底来实现高效彩色的艺术展览品。奥地利铸币局分别在2003年、2004年以及2005年将Nb作为铸币材料与Ag混合,发行了蓝色、绿色、紫色三种具有特殊意义的Ag/Nb合金纪念币。Nb也曾被用作艺术品原材料,加工成各式各样色泽艳丽的珠宝、戒指、耳环等等。因此,为了满足Nb的在艺术品以及装饰行业的应用和需要,研究一套简便成熟的着色工艺非常必要。 本文以反应比较温和的草酸作为电解质,通过电化学阳极氧化法研究了金属铌片的着色工艺及结果。由实验结果得出了以下结论：(1)0.05mol/L的草酸溶液中,短时间内(10s)通过改变电压从15V至130V可非常容易地获得十几种光鲜明亮的颜色；(2)通过分析一系列有关温度和溶液浓度与着色结果的关系发现浓度对色彩没有明显的影响,但是室温时铌片表面的颜色不如在加热条件下(40℃或70℃)鲜艳亮丽,且电压不变的情况下温度越高得到同一种色彩所需要的时间越短；(3)对于同一种颜色,在高电压下需要的反应时间比低电压下短；(4)集合不同电压、时间内所有的着色样品可发现它们几乎涵盖了可见光范围内大部分能分辨出的颜色。最后结合时间、温度、电解质浓度、电压以及氧化时间对实验结果的影响,探索出了一套合理、简便易行的Nb金属表面着色工艺。 通过EDS、XPS和XRD等成分和晶体结构测试手段确定了彩色薄膜的组成成分、元素价态以及晶体结构。结果表明,着色铌片表面的钝化薄膜主要是非晶或者结晶态的Nb2O5,其晶体结构与氧化电压和反应时间有关。通过场发射扫描电镜(FESEM)对表面形貌进行了检测,发现短时间内,如果电压不超过100V时,所得样品的表面薄膜均匀致密。但是电压过高或者延长反应时间至一定值时,表面会有裂纹坑洞等缺陷出现。除此之外,还通过划痕实验以及硬度试验对体系的膜/基结合力、硬度等机械性能进行了评价。利用椭圆偏振光谱仪(SE)对不同颜色的Nb片表面氧化膜厚度进行测试。 结合成分检测结果分析发现,呈现出不同颜色的主要原因是薄膜厚度不同。薄膜的厚度对着色结果产生了直接的影响。发生这一现象的主要理论基础即薄膜干涉原理：可见光在空气/氧化物界面以及氧化物/金属界面上的相长干涉作用,使不同厚的的光学薄膜呈现出不同的颜色。根据时间和着色结果之间的关系发现,在相同的反应时间下,电压越高薄膜越厚,在不同的外加电压下,颜色和时间之间的关系存在一定差异。电压较低时(15V、30V),颜色变化比较慢,只有两种或三种。当电压升高时(65V-100V),颜色随时间持续变化,可获得几十种不同的色彩。但是,如果电压过高(120V、125V、130V),短时间内即可表现出绿色,并且随着时间延长绿色最终转化为灰绿色。经XRD和SEM结果分析发现,绿色的出现表明Nb205开始晶化,并且随着晶化程度的加剧,绿色逐渐褪去,慢慢转变为灰绿色,甚至灰白色。
【关键词】：Nb 金属表面着色 草酸 阳极氧化 薄膜干涉原理
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG177
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 绪论12-20
• 1.1 表面技术12-13
• 1.1.1 表面技术概述12
• 1.1.2 表面技术的分类12-13
• 1.2 金属表面着色13-14
• 1.2.1 金属表面着色概述13
• 1.2.2 金属表面着色方法分类13-14
• 1.3 化学转化膜与阳极氧化14-15
• 1.3.1 化学转化膜技术14-15
• 1.3.2 阳极氧化法制备化学转化膜15
• 1.4 铌及其化合物的性质与应用15-17
• 1.5 金属铌着色技术的发展现状17-18
• 1.6 选题目的、依据以及研究内容18-20
• 1.6.1 选题目的及依据18-19
• 1.6.2 研究内容19-20
• 第二章 实验中涉及到的测试手段及表征方法20-24
• 2.1 表面薄膜的元素组成及元素价态的表征20
• 2.2 物质晶体结构以及表面形貌的分析20-21
• 2.2.1 晶体结构的分析20-21
• 2.2.2 表面形貌的分析21
• 2.3 薄膜硬度及膜/基结合力的测试21-23
• 2.3.1 薄膜硬度的测试21-22
• 2.3.2 膜/基结合力的测试22-23
• 2.4 氧化薄膜厚度的测试23-24
• 第三章 实验工艺以及着色结果的分析24-30
• 3.1 实验材料及设备24-25
• 3.1.1 原材料及化学试剂24
• 3.1.2 实验设备24
• 3.1.3 实验装置24-25
• 3.2 实验流程及步骤25-26
• 3.3 着色结果及其分析26-29
• 3.3.1 不同电压下样品表面的颜色26
• 3.3.2 不同反应时间下样品表面的颜色26-27
• 3.3.3 温度对样品表面颜色的影响27-28
• 3.3.4 电解液浓度对样品表面颜色的影响28-29
• 3.4 本章小结29-30
• 第四章 着色Nb片表面钝化薄膜的物性表征30-40
• 4.1 表面钝化膜的组分及晶体结构分析30-34
• 4.1.1 钝化膜组成元素的检测30-31
• 4.1.2 元素化合价的表征31-33
• 4.1.3 化合物晶体结构的检测33-34
• 4.2 着色Nb片表面薄膜的耐腐蚀性及机械性能检测34-39
• 4.2.1 着色铌片表面颜色的耐腐蚀性34-35
• 4.2.2 着色Nb片表面薄膜的硬度35-37
• 4.2.3 Nb_2O_5/Nb体系的膜/基结合力37-39
• 4.3 本章小结39-40
• 第五章 Nb金属表面显色的原理及分析40-54
• 5.1 阳极氧化着色过程中发生的化学反应40-41
• 5.2 铌片表面呈现不同颜色的原因分析41-43
• 5.3 光学薄膜的干涉原理43-46
• 5.4 着色Nb片表面薄膜厚度的测试46-47
• 5.5 反应时间与颜色(厚度)的关系47-53
• 5.5.1 电流密度随反应时间的变化48-49
• 5.5.2 时间对着色铌片表面氧化物组分和晶体结构的影响49-51
• 5.5.3 150s时着色铌片的表面形貌以及相分析51-53
• 5.6 本章小结53-54
• 结论54-55
• 致谢55-56
• 参考文献56-60
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况60

【参考文献】

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本文编号：466361