块体纳米晶金属材料价电子及费米能级研究

摘要

金属的高温氧化和腐蚀是金属材料面临的常见问题，特别是对航空、航天、能源、动力、石油化工等高科技和工业领域的发展中有着重要的作用。纳米材料具有特殊的物理、化学和机械性能，受到各个领域的广泛关注，深入研究纳米金属材料的表面电子结构，对于理解纳米晶金属材料高温氧化和腐蚀性能及其机理有重要意义。
　　 本文通过采用深度轧制技术制备的块体纳米晶304不锈钢和块体纳米晶纯铝，并且以普通304不锈钢和普通纯铝作为对比研究，利用X-射线光电子谱和紫外线光电子谱表征块体纳米晶304不锈钢与普通304不锈钢，块体纳米晶纯铝与普通纯铝在不同条件下的表面电子结构。
　　 对304不锈钢在900℃空气中氧化24小时的结果表明：块体纳米晶304不锈钢和普通304不锈钢表面形成氧化膜的主要成份为Cr2O3、MnO2和O2；与普通304不锈钢氧化膜相比较，块体纳米晶304不锈钢氧化膜吸附O2的深度浅，Cr元素的含量更多，致密性更好，Cr3+/(Cr3++Cr0)与Mn4+/(Mn4+Mn0)的比值较低，Cr和Mn元素不容易氧化；块体纳米晶304不锈钢氧化膜表面价电子之间的相互作用更强，纳米晶304不锈钢氧化膜的功函数提高0.08 eV。
　　 对304不锈钢在950℃空气中氧化24小时的结果表明：块体纳米晶304不锈钢氧化膜的成份为Cr2O3和O2，普通304不锈钢化膜的主要成份为Cr2O3、MnO2和O2；与普通304不锈钢氧化膜相比较，块体纳米晶304不锈钢氧化膜吸附O2的深度较浅，Cr元素的含量较多，致密性较好，Mn4+/(Mn4++Mn0)的比值较低，Mn不容易氧化；纳米晶304不锈钢氧化膜的功函数提高0.07 eV。
　　 对纯铝在0.25 mol/L的盐酸中腐蚀9天后的结果表明：块体纳米晶纯铝表面形成膜；与普通纯铝相比较，块体纳米晶纯铝样品表面含有Al3+、Cl-的深度较浅，Al3+/(Al3++Al0)的比值较低，抗腐蚀性能得到了提高；表面价电子之间的相互作用加强，功函数提高0.07 eV。
　　 对块体纳米晶304不锈钢在0.5mol/L的盐酸溶液中腐蚀20天的结果表明：块体纳米晶304不锈钢腐蚀后表面形成钝化膜，含有Ni3+深度低，Fe3+、Fe2+、Cr3+的结合能较高，(Fe3++Fe2+)/(F3++Fe2++Fe0)原子百分含量比值较低；块体纳米晶304不锈钢的表面价电子的费米能级提高0.20 eV，功函数提高0.29eV。