金屬鈍化膜擊破機制研究取得突破性進展

2018年09月11日14:43  來源:人民網-遼寧頻道
 

人民網沈陽9月11日電(蔣山)近日,中國科學院金屬研究所固體原子像研究部馬秀良研究員、張波副研究員和王靜博士等人組成的介質條件下材料電子顯微學研究小組在原子尺度下直接獲得金屬表面超薄鈍化膜的剖面顯微圖像,並揭示了氯離子擊破鈍化膜的作用機制。

(鈍化膜中晶體/非晶界面作為氯離子在膜中的傳輸通道。(a)沿基體[001]晶帶軸的TEM高分辨像顯示鈍化膜主要為非晶態,其中包含有一些納米晶﹔(b)界面處TEM高分辨像的局部放大圖﹔(c)氯離子在鈍化膜中的晶體、非晶及二者界面處進行擴散所需能量的第一原理計算。)

7月2日,英國《自然·通訊》(Nature Communications)在線發表了該項研究成果。9月7日,美國《科學》(Science)周刊在相關專欄以“Tracking corroding chloride”為題對該成果進行了推介,認為“利用透射電子顯微技術對氯離子傳輸的直接觀測加深了對金屬腐蝕過程的理解”。

(氯離子進入並穿透鈍化膜,富集在鈍化膜/基體界面處。不同形成條件下鈍化膜的元素面分布分析,(a)在0.5 mol L-1 H2SO4 溶液中640 mV / SHE 下恆電位鈍化30分鐘; (b) 在0.5 mol L-1 H2SO4 + 0.3 mol L-1 NaCl 溶液中640 mV / SHE 下恆電位鈍化30分鐘; (c) 先在0.5 mol L-1 H2SO4 溶液中640 mV / SHE 下恆電位鈍化30分鐘,然后向溶液中加入NaCl溶液。)

金屬表面幾個納米厚的鈍化膜賦予其優良的抗均勻腐蝕能力,然而,在抗均勻腐蝕的同時,金屬的局部點狀腐蝕(即“點蝕”)卻難以避免。點蝕的發生起始於材料表面,最終向材料表面以下的縱深方向迅速擴展。因此,點蝕破壞具有極大的隱蔽性和突發性,特別是在石油、化工、核電等領域,點蝕容易造成金屬管壁穿孔,使大量油、氣泄漏,甚至造成火災、爆炸等災難性事故。

(氯離子作用於界面導致基體/鈍化膜界面的起伏。(a-b)沿基體[001]及[110]帶軸的TEM高分辨像,鈍化膜為在0.5 mol/ L H2SO4 溶液中生長在(110)及(001)面上﹔(c)沿基體[001]帶軸的TEM高分辨像,鈍化膜為在0.3 mol L-1 NaCl + 0.5 mol L-1 H2SO4 溶液中生長在(110)面上﹔(d)沿基體[110]帶軸的TEM高分辨像,鈍化膜為先在0.5 mol L-1 H2SO4 溶液中形成,然后向溶液中加入NaCl溶液。)

點蝕的發生起始於鈍化膜的局部破損,是材料科學與工程領域中的經典問題之一。由於鈍化膜非常薄(3~5nm),對其結構的直接觀測極具挑戰性,探究氯離子導致的結構演變則更為困難。自上世紀六十年代開始至今,材料科學家普遍採用表面譜學等間接的實驗手段研究氯離子擊破鈍化膜的機制,並因此提出了多種模型和假說,但尚無定論。其爭論的核心問題是氯離子在鈍化膜中的存在位置及作用方式。

金屬所固體原子像研究部界面結構研究團隊長期致力於材料基礎科學問題的電子顯微學研究,經過多年的學術積累,在解決上述基礎科學難題方面近來取得突破。他們利用像差校正透射電子顯微技術証實,鈍化膜由極其微小的具有尖晶石結構的納米晶和非晶組成﹔基於定量電子顯微學分析並結合相應的理論計算,發現氯離子沿著納米晶和非晶之間的特殊“晶界”並以貫穿通道為路徑,傳輸至鈍化膜與金屬之間的界面。到達界面處的氯離子造成基體一側的晶格膨脹、界面的起伏以及膜一側的疏鬆化,並在界面處引入了拉應力。起伏界面的凸起在應力的作用下最終成為鈍化膜發生破裂的起始位置。這一研究成果為揭示氯離子與金屬鈍化膜的交互作用機制提供了直接的實驗証據,為修正和完善數十年來基於模型和假說所建立起來的鈍化膜擊破理論提供了原子尺度的結構信息。

該項研究得到了國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究項目以及金屬所創新基金重點項目等資助。

(責編:蔣山、孝媛)