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

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/交流電化學陽極氧化條件下表面可以生成具有可見光范圍內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

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，通過電化學陽極氧化法研究了金屬鈮片的著色工藝及結果。由實驗結果得出了以下結論:(1)0.05

4、mol/L的草酸溶液中，短時間內(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、可見光范圍內大部分能分辨出的顏色。最后結合時間、溫度、電解質濃度、電壓以及氧化時間對實驗結果的影響，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等成分和晶體結構測試手段確定了彩色薄膜的組成成分、元素價態(tài)以及晶體結構。結果表明，著色鈮片表面的鈍化薄膜主要是非晶或者結晶態(tài)的Nb2O5，其晶體結構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，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。
　　結合成分檢測結果分析發(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

7、物界面以及氧化物/金屬界面上的相長干涉作用，使不同厚的的光學薄膜呈現(xiàn)出不同的顏色。根據(jù)時間和著色結果之間的關系發(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)，短時間內即可表現(xiàn)出綠色，并且隨著時間延長