【48812】问传统求新知——用扫描电镜揭开铝电解抛光外表的各向异性纳米图画的奥秘面纱

时间：2024-06-07   来源：保洁服务项目

  金属的电解抛光，是一种传统而常用的外表处理技能，经过可控的电化学反响使金属外表溶解（凸起部分溶解速度快）来下降外表粗糙度。运用电解抛光技能，可以得到纳米级粗糙度的镜面光泽外表，还可以去除前序机械加工留传的外表和亚外表损害层。不过，不为一般仅运用该技能的研讨者留意的是，在必定的电化学条件下，电解抛光后的金属外表会出现纳米级的图画（pattern），其间对金属铝的研讨较多。研讨者发现，金属铝（Al）经短时间电解抛光处理后，外表会出现周期或特征周期为几十至一百多纳米的有序条纹状（stripe）、六边顶角状（hexagon）及点状（dot）等多种有序或无序图画。这一现象，现已引起了研讨者对其在金属外表微纳工程、微纳模板加工、微纳电子学等范畴使用的重视。研讨者渐渐的开端深化发掘纳米图画构成的机理，关键是提醒资料外表结构和界面电化学行为决议纳米图画类型及周期的物理化学规则。可是，现在现已宣布的研讨，短少对多晶和单晶铝外表纳米图画构成行为的体系试验研讨，定性的多定量的少，零星的多体系的少，难以用来查验和改善现有的外表纳米图画构成理论。其间一个被长时间疏忽的核心问题，便是铝外表结构差异导致的纳米图画的各向异性。

  哈尔滨工业大学化工与化学学院的甘阳教授和他辅导的博士生袁原（论文榜首作者）、张丹博士、杨春晖教授及机电学院的张飞虎教授，初次选用电子束背散射衍射（EBSD）对电解抛光后的多晶铝和单晶铝进行了定量的外表晶体学取向剖析，并选用蔡司的Sapphire Supra 55场发射扫描电镜（FE-SEM）和原子力显微镜（AFM）对纳米图画的类型（type）和周期（size）进行了体系表征和量化剖析，提醒了铝电解抛光外表纳米图画的类型和周期关于外表结构和晶体学取向的依赖性的规则。一起，依据外表物理化学的理论结构，对成果进行了深化剖析和评论，定性解说了大部分的试验成果，并指明晰下一步的研讨方向。研讨成果近期以长文方式宣布于电化学范畴的世界闻名期刊Journal of the Electrochemical Society，世界同行评定专家觉得该作业是对本范畴的重要贡献。

  甘阳教授课题组首要对多种铝样品的电解抛光外表纳米图画进行了体系的研讨：1）多晶铝（polycrystalline Al）中不同取向的晶粒；2）切开角可控的系列单晶铝（monocrystalline Al）样品。经过EBSD测验取得晶粒外表的晶体学取向图，并结合定位SEM表征，他们发现，铝电解抛光外表纳米图画对晶面取向具有依赖性（如图1所示为多晶样品中三个毗连的晶粒）。

  （布景常识：描绘铝外表晶体学取向的EBSD反极图三角（IPF triangle）中，可划分为环绕三个低指数晶面方向（primary direction，主取向）的晶体学主取向区域—[101] //ND，[001] //ND和[111]//ND，单个晶粒或单晶的外表取向违背主取向的视点称为取向差角（misorientation angle）。）

  经过对数十个不同取向的多晶晶粒的逐必定位SEM表征，他们发现了一系列未被报导过的现象（图2）：1）纳米图画类型和周期对晶面取向的依赖性是否显着取决于所属的主取向区域；2）在同一主取向区域内，纳米图画类型和周期跟着取向差角的改动出现突变性规则；3）关于具有相同取向差角但倾向不同主取向的晶面，纳米图画类型和周期也产生显着的改动；4）在两个或三个主取向的交界处，纳米图画类型和周期根本相同。他们进一步测验和剖析了一系列取向差角可控的单晶铝样品（图3），证明了上述多晶样品的成果，并提醒出现在尚难以解说的单晶和多晶样品间的图画周期性巨细的差异问题（图4）。

  图1 （a）电解抛光多晶Al样品的EBSD剖析IPF图，（b）扩大后的IPF图和IPF三角显现三个相邻的A、B、C晶粒及其所属的主取向区域和各自的晶面取向差角值，（c）三个晶粒的定位SEM描摹图画，相邻晶粒被晶界离隔并交于一点，（d–f）三个晶粒的AFM描摹图画和细节扩大图及FFT剖析图，（g–i）为对应AFM图中白线段的线概括剖析图。

  图4（a，b）单晶和多晶样品的外表纳米图画周期（L）随取向差角（θ）改动的L–θ图，上方刻图轴给出了三个主取向区域内与θ对应的所属外表的外表台阶宽度（w）。（c，d）单晶和多晶样品的各晶面在IPF三角中的对应方位图。L–θ图和IPF三角中的几条连线，表明的是连接了近似坐落延某个主取向辐射出去的直线上的若干晶面（及IPF三角中的若干对应的点）。

  为了解说试验成果，他们树立了一系列不同取向晶面的外表原子摆放的“渠道–台阶”模型（图5），还关切了更杂乱的“渠道–台阶–扭折”外表结构（图6）。虽然尚没考虑外表驰豫、重构等的影响，他们依据外表结构特征随取向差角的改动规则，解说了试验观察到的纳米图画类型和取向差角的联系。比方，在一个主取向区域内，跟着取向差角的增大，外表台阶宽度逐步减小而不是骤变，界面能的改动也应该出现突变的特性，这就解说了纳米图画的类型随取向差角改动的突变现象。此外，在两个或三个主取向区域的交界处，大取向差的晶面的外表结构（渠道宽度和台阶处的原子摆放）很类似，所以导致纳米图画的类型根本相同。而不考虑上述结构特征，就很难解说试验上观察到的现象。

  图7  在电解抛光过程中吸附分子在不同渠道宽度“渠道–台阶”外表的分散和脱附行为差异的示意图。（a）宽渠道外表；（b）窄渠道外表。

  他们依据外表结构影响电化学溶解和界面分子吸附、分散行为的理论结构，对文献中现有的“吸附–溶解”理论进行了深化，进一步提出了外表渠道宽度和台阶位点的数量会影响电解抛光液中的外表吸附分子（如乙醇）在外表的分散（以分散系数表征）和吸脱附（脱附速率常数）行为。取向差角越大，渠道宽度越窄（台阶密度也越大），分子在外表的分散妨碍越大，但一起脱附也更困难，这二者的竞赛导致图画的周期先添加并逐步到达峰值后减小。以外，他们还提出了一套结合SEM丈量和图画的FFT处理的剖析过程，以此为基准来精确确定准无序纳米图画的均匀周期巨细，有很大成效避免了单点丈量的较大误差。

  以上研讨作业，对铝及其它金属（如Ti，Ta，Zn，W）及合金的电解抛光外表纳米图画化研讨具有一般含义。甘阳教授课题组正在持续深化研讨更多试验要素的影响、图画演化的计算机模仿及理论模型的树立，力求全面提醒金属电解抛光外表纳米图画的构成机理。