本文關鍵詞：Nb金屬片在草酸溶液中的陽極氧化著色，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：鈮屬于高熔點金屬,其熔點高達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用到波導、催化、太陽能以及其它電子設備中。Nb3Sn和Nb3Al被應用到超導線圈的研究和生產(chǎn)中。Nb2O5由于其獨特的物理化學性能,比如折射率較大、禁帶寬度較寬、化學穩(wěn)定性好、防腐性能優(yōu)良等,已被廣泛應用到了很多現(xiàn)代科技領域,比如干涉濾波器、電化學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的儲存量,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/交流電化學陽極氧化條件下表面可以生成具有可見光范圍內(nèi)大部分色彩的鈍化膜。這些表觀顏色來自于空氣/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)吸引了大量學者的研究和關注,將其作為一種具有前景的基底來實現(xiàn)高效彩色的藝術展覽品。奧地利鑄幣局分別在2003年、2004年以及2005年將Nb作為鑄幣材料與Ag混合,發(fā)行了藍色、綠色、紫色三種具有特殊意義的Ag/Nb合金紀念幣。Nb也曾被用作藝術品原材料,加工成各式各樣色澤艷麗的珠寶、戒指、耳環(huán)等等。因此,為了滿足Nb的在藝術品以及裝飾行業(yè)的應用和需要,研究一套簡便成熟的著色工藝非常必要。 本文以反應比較溫和的草酸作為電解質(zhì),通過電化學陽極氧化法研究了金屬鈮片的著色工藝及結(jié)果。由實驗結(jié)果得出了以下結(jié)論：(1)0.05mol/L的草酸溶液中,短時間內(nèi)(10s)通過改變電壓從15V至130V可非常容易地獲得十幾種光鮮明亮的顏色；(2)通過分析一系列有關溫度和溶液濃度與著色結(jié)果的關系發(fā)現(xiàn)濃度對色彩沒有明顯的影響,但是室溫時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間越短；(3)對于同一種顏色,在高電壓下需要的反應時間比低電壓下短；(4)集合不同電壓、時間內(nèi)所有的著色樣品可發(fā)現(xiàn)它們幾乎涵蓋了可見光范圍內(nèi)大部分能分辨出的顏色。最后結(jié)合時間、溫度、電解質(zhì)濃度、電壓以及氧化時間對實驗結(jié)果的影響,探索出了一套合理、簡便易行的Nb金屬表面著色工藝。 通過EDS、XPS和XRD等成分和晶體結(jié)構(gòu)測試手段確定了彩色薄膜的組成成分、元素價態(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)與氧化電壓和反應時間有關。通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對表面形貌進行了檢測,發(fā)現(xiàn)短時間內(nèi),如果電壓不超過100V時,所得樣品的表面薄膜均勻致密。但是電壓過高或者延長反應時間至一定值時,表面會有裂紋坑洞等缺陷出現(xiàn)。除此之外,還通過劃痕實驗以及硬度試驗對體系的膜/基結(jié)合力、硬度等機械性能進行了評價。利用橢圓偏振光譜儀(SE)對不同顏色的Nb片表面氧化膜厚度進行測試。 結(jié)合成分檢測結(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)象的主要理論基礎即薄膜干涉原理：可見光在空氣/氧化物界面以及氧化物/金屬界面上的相長干涉作用,使不同厚的的光學薄膜呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)時間和著色結(jié)果之間的關系發(fā)現(xiàn),在相同的反應時間下,電壓越高薄膜越厚,在不同的外加電壓下,顏色和時間之間的關系存在一定差異。電壓較低時(15V、30V),顏色變化比較慢,只有兩種或三種。當電壓升高時(65V-100V),顏色隨時間持續(xù)變化,可獲得幾十種不同的色彩。但是,如果電壓過高(120V、125V、130V),短時間內(nèi)即可表現(xiàn)出綠色,并且隨著時間延長綠色最終轉(zhuǎn)化為灰綠色。經(jīng)XRD和SEM結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),綠色的出現(xiàn)表明Nb205開始晶化,并且隨著晶化程度的加劇,綠色逐漸褪去,慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色,甚至灰白色。
【關鍵詞】：Nb 金屬表面著色 草酸 陽極氧化 薄膜干涉原理
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TG177
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-12
• 第一章 緒論12-20
• 1.1 表面技術12-13
• 1.1.1 表面技術概述12
• 1.1.2 表面技術的分類12-13
• 1.2 金屬表面著色13-14
• 1.2.1 金屬表面著色概述13
• 1.2.2 金屬表面著色方法分類13-14
• 1.3 化學轉(zhuǎn)化膜與陽極氧化14-15
• 1.3.1 化學轉(zhuǎn)化膜技術14-15
• 1.3.2 陽極氧化法制備化學轉(zhuǎn)化膜15
• 1.4 鈮及其化合物的性質(zhì)與應用15-17
• 1.5 金屬鈮著色技術的發(fā)展現(xiàn)狀17-18
• 1.6 選題目的、依據(jù)以及研究內(nèi)容18-20
• 1.6.1 選題目的及依據(jù)18-19
• 1.6.2 研究內(nèi)容19-20
• 第二章 實驗中涉及到的測試手段及表征方法20-24
• 2.1 表面薄膜的元素組成及元素價態(tài)的表征20
• 2.2 物質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)以及表面形貌的分析20-21
• 2.2.1 晶體結(jié)構(gòu)的分析20-21
• 2.2.2 表面形貌的分析21
• 2.3 薄膜硬度及膜/基結(jié)合力的測試21-23
• 2.3.1 薄膜硬度的測試21-22
• 2.3.2 膜/基結(jié)合力的測試22-23
• 2.4 氧化薄膜厚度的測試23-24
• 第三章 實驗工藝以及著色結(jié)果的分析24-30
• 3.1 實驗材料及設備24-25
• 3.1.1 原材料及化學試劑24
• 3.1.2 實驗設備24
• 3.1.3 實驗裝置24-25
• 3.2 實驗流程及步驟25-26
• 3.3 著色結(jié)果及其分析26-29
• 3.3.1 不同電壓下樣品表面的顏色26
• 3.3.2 不同反應時間下樣品表面的顏色26-27
• 3.3.3 溫度對樣品表面顏色的影響27-28
• 3.3.4 電解液濃度對樣品表面顏色的影響28-29
• 3.4 本章小結(jié)29-30
• 第四章 著色Nb片表面鈍化薄膜的物性表征30-40
• 4.1 表面鈍化膜的組分及晶體結(jié)構(gòu)分析30-34
• 4.1.1 鈍化膜組成元素的檢測30-31
• 4.1.2 元素化合價的表征31-33
• 4.1.3 化合物晶體結(jié)構(gòu)的檢測33-34
• 4.2 著色Nb片表面薄膜的耐腐蝕性及機械性能檢測34-39
• 4.2.1 著色鈮片表面顏色的耐腐蝕性34-35
• 4.2.2 著色Nb片表面薄膜的硬度35-37
• 4.2.3 Nb_2O_5/Nb體系的膜/基結(jié)合力37-39
• 4.3 本章小結(jié)39-40
• 第五章 Nb金屬表面顯色的原理及分析40-54
• 5.1 陽極氧化著色過程中發(fā)生的化學反應40-41
• 5.2 鈮片表面呈現(xiàn)不同顏色的原因分析41-43
• 5.3 光學薄膜的干涉原理43-46
• 5.4 著色Nb片表面薄膜厚度的測試46-47
• 5.5 反應時間與顏色(厚度)的關系47-53
• 5.5.1 電流密度隨反應時間的變化48-49
• 5.5.2 時間對著色鈮片表面氧化物組分和晶體結(jié)構(gòu)的影響49-51
• 5.5.3 150s時著色鈮片的表面形貌以及相分析51-53
• 5.6 本章小結(jié)53-54
• 結(jié)論54-55
• 致謝55-56
• 參考文獻56-60
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及科研情況60

【參考文獻】

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本文編號：466361