清華大學(xué)材料科學(xué)與工程系白新德、尤引娟、馬春來(lái)、陳文莉于1996年1月利用18O示蹤和核反應(yīng)分析研究不銹鋼的著色機(jī)理。他們利用18O同位素氧的示蹤技術(shù)和18O(P,a)15N核反應(yīng)分析研究了不銹鋼在H2SO4-CrO3 溶液中的氧化膜機(jī)理，用ESCA分析了不銹鋼表面氧化物的價(jià)態(tài)。
一、實(shí)驗(yàn)過(guò)程
1. 材料與拋光
①. 實(shí)驗(yàn)材料為304不銹鋼
②. 電拋光預(yù)處理
拋光液為H2SO4-H3PO4溶液，電流密度為80A/d㎡,溫度為65℃,時(shí)間為70秒。
2. 著色液配制
①. 自然著色液
用蒸餾水（含160)加H2SO4、CrO3配制而成。
②. 示蹤溶液
用濃縮含18O(80%)和貧化了30倍的含18O水加H2SO4和CrO3配制而成。
3. 樣品制作
①. 0#不銹鋼樣品
在自然著色液中著色，隨著著色時(shí)間的增長(zhǎng)，不銹鋼表面氧化膜不斷增厚，逐漸呈現(xiàn)棕色→藍(lán)色→金黃色→紫紅色→綠色色序。
②. 1#不銹鋼樣品
在示蹤溶液中著色，同樣可得到上述色序。
③. 2#樣品
浸入自然溶液中著色至棕色（膜厚約10000nm),取出立即浸入示蹤差角液中繼續(xù)差負(fù)至分黃取山洗凈烘干。
④. 3#、4#樣品均先在自然溶液中著色至棕色，再分別在示蹤溶液中著色至紫紅色（約50000nm)和綠色（約70000nm)。
⑤. 5#樣品不經(jīng)過(guò)自然溶液著色，直接浸入示蹤溶液中著色至藍(lán)色取出。
4. 18O濃度分布
對(duì)上述4種樣品進(jìn)16O(d,r)、17O和18O(P,a)15N核反應(yīng)分析，從2MeV的Dan De Granff加速器中由 629keV下約2keV共振寬度18O（P,a)15N核反應(yīng)激發(fā)曲線(xiàn)的分析可確定18O的濃度分布。
5. 用ESCA分析金黃色著色膜中Fe、Cr、Ni元素的價(jià)態(tài)
二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
1. 18O示蹤結(jié)果表明，18O已進(jìn)入到膜的深處，這說(shuō)明作為溶劑的H218O也參加反應(yīng)
反應(yīng)過(guò)程為：
CrO3+6H++Fe+e→Cr3++Fe2++3H2O （8-5)
Fe2++Cr3++H2O→FeCrO3+H+ （8-6)
FeCrO3→Fe2O3+Cr2O3 （8-7)
Ni2++Cr3++H2O→Ni3(CrO3)2+H+ （8-8)
Ni(CrO3)2→NiO+Cr2O3 （8-9)
由式（8-5)~式（8-9)可知，無(wú)論是溶質(zhì)（CrO3)還是溶劑（H2O),均參與了成膜反應(yīng)。
2. 著色膜（氧化膜）的生長(zhǎng)是由氧離子和金屬離子遷移、相遇所決定的
圖8-4表明18O分布峰位并不在膜的表面。因此，新膜的生長(zhǎng)不只是由于金屬離子單向由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，其成膜遷移機(jī)理不會(huì)按圖8-5(a)所示的規(guī)律進(jìn)行。同時(shí)，由于18O濃度峰位不是隨膜厚的增加而在接近基體分布的，因此，也不可能按圖8-5（b)所示的規(guī)律成膜。因?yàn)樾律どL(zhǎng)不是在預(yù)生膜內(nèi)成膜的，因此，也不會(huì)是開(kāi)始時(shí)主要是金屬離子向外遷移，按圖8-5(c)所示的規(guī)律成膜。只有開(kāi)始成膜主要是氧離子向內(nèi)遷移，隨膜厚增加而氧離子遷移受到阻礙，金屬離子向外遷移速率大于氧離子向內(nèi)遷移速率不可能在距離膜表面一定深度（如實(shí)驗(yàn)得出約10000nm)并超過(guò)預(yù)氧化生膜厚度處相遇成膜，即按圖8-5(d)所示的規(guī)律成膜。
3. 利用核反應(yīng)分析和180示蹤方法可以研究
金屬在電解液中形成氧化膜過(guò)程中氧和金屬離子的遷移方向及成膜區(qū)域。
4. 不銹鋼在H2SO4-CrO3溶液中形成的氧化膜在成膜初期主要是介質(zhì)中氧向內(nèi)擴(kuò)散，在膜生長(zhǎng)達(dá)一定厚度（約10000nm)后，氧的擴(kuò)散隨膜增厚阻力的增大，逐漸變?yōu)橐越饘匐x子向外擴(kuò)散為主。
5. 不銹鋼在H2SO4-CrO3溶液中成膜主要由Cr、Fe、Ni元素組成。這些元素分別以Fe2O3、Cr2O3和近似于NiO的形態(tài)存在，這可由ESCA分析得出Fe、Cr、Ni在膜中存在的價(jià)態(tài)相一致。
