Nb金屬片在草酸溶液中的陽極氧化著色.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(xué)者的研究和關(guān)注，將其作為一種具有前景的基底來實(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)，通過電化學(xué)陽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(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(yīng)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

5、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(shí)驗(yàn)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(yīng)時間有關(guān)。通過場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對表面形貌進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)短時間內(nèi)，如果電壓不

6、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(yīng)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(shí)驗(yàn)以及硬度試驗(yàn)對體系的膜/基結(jié)合力、硬度等機(jī)械性能進(jìn)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(jìn)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(chǔ)即薄膜干涉原理:可見光在空氣/氧化

7、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(xué)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(guān)系發(fā)現(xiàn)，在相同的反應(yīng)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(guān)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(dāng)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