金属钛钝化膜结构及耐蚀性质研究

　　几乎所有的金属材料相对于所处的环境都处于热力学非稳定状态，受周围环境的作用而发生破坏，甚至造成火灾、爆炸等灾难性的腐蚀失效事故。为了提高材料耐蚀性能，钝性金属表面倾向于形成一层固态氧化膜来实现向稳态的转变。但是，金属钝化过程中微观结构的演化规律和作用机制尚不清楚。为此，北京科技大学国家材料服役安全科学中心的孙冬柏教授课题组采用AES、XPS、XAFS和电化学的方法对金属钛的钝化膜结构和耐蚀性质进行了深入的研究，相关的研究成果发表在2016年7月20日的《ACS Applied Materials & Interfaces》上。 

　　该课题组利用北京同步辐射装置（BSRF）4B7A-中能实验站进行了Ti的K边XAFS实验。通过对X射线吸收近边结构谱（XANES）分析，发现金属钛钝化膜中氧化物化学态的分布随着外电场作用的变化，与电化学动电位极化曲线中电流密度的变化规律相一致，因为[TiO₂]/[Ti₂O₃]的比例决定了钝化过程中钝化/溶解的作用的强弱，这在XPS的研究中也得到了证实。通过对X射线吸收扩展边结构谱（EXAFS）分析，钝化膜中Ti-O配位的增加引起了电化学钝化，而Ti-Ti配位的减小导致了钝化膜的溶解。另外，局域结构的改变影响了钝化膜内微观缺陷的分布和迁移，从而改变了金属在所处环境下的耐蚀性，该结果与钝化理论点缺陷模型（PDM）的预测结果吻合。 

图1 金属钛钝化膜局域结构演化示意图 

　　这项研究奠定了金属材料腐蚀过程微观结构演化机理探究的良好开端，为金属材料腐蚀理论和防护技术的发展提供了重要的科学依据。课题组组长孙冬柏教授认为：“腐蚀问题复杂且影响深远，只有掌握了作用机理才能高效地控制金属腐蚀。这项研究从结构演化入手结合模型解析耐蚀性质的演化规律，对于腐蚀的本质有了更深入的理解，在工程应用和科学研究中都具有重要意义。北京同步辐射装置为深入研究钝化机理，实现腐蚀防护和服役安全评价提供了强有力的技术支持”。

　　发表文章： 

　　Lu Wang,* Hongying Yu,* Ke Wang, Haisong Xu, Shaoyang Wang, and Dongbai Sun. Local Fine Structural Insight into Mechanism of Electrochemical Passivation of Titanium. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(28): 18608-18619.