第一篇化學實驗論文范文：

題目：化學鎂合金化學機械拋光中緩蝕劑的研究

摘要:基于堿性氧化鈰拋光液體系,研究了磷酸氫二納和氟化鉀兩種緩蝕劑對鎂合金緩蝕影響的基本規律。采用掃描電鏡、X射線光電子能譜和電化學實驗分析了化學機械拋光中鎂合金表面微觀形貌和緩蝕機理。發現:1%\\(質量分數\\)磷酸氫二納電荷轉移電阻最大為7481Ω·cm-2,電流密度最小為0.01441mA/cm2,具有最佳緩蝕能力。Na2HPO4在鎂合金表面生成完整的鈍化膜,具有很好的緩蝕能力。其緩蝕機理是:Na2HPO4在鎂合金表面生成MgHPO4,可以阻擋腐蝕介質向鎂合金表面靠近,有效抑制了鎂合金基片的腐蝕。

關鍵詞:化學機械拋 光緩蝕劑 電化學

好的力學性能,使得鎂合金在航天、航空以及3C等領域得到了廣泛的應用。鎂合金所表現出的輕質、高阻尼性、抗振、高導熱性、抗電磁干擾、高電負性和易于回收等性能優勢有助于擴展鎂合金在工程上的應用范圍,但是鎂合金質地軟、硬度低,使得鎂合金在加工過程中極易出現劃傷、磨損等表面缺陷。特別是一些關鍵或者重要的精密零部件常需要實現極高精度,近無缺陷的超精密加工?；瘜W機械拋光技術\\(Chemical mechanical polishing,CMP\\)作為一種超精密加工技術,可以實現大平面表面的全局平坦化,得到完美的鏡面效果。通過化學機械拋光可以實現鎂合金表面超精密加工[1-3]。

化學機械拋光過程中的材料去除主要是由拋光液的化學作用、磨粒以及拋光墊的機械作用共同產生。因此為了得到高效高精度的表面拋光效果,一方面應利用機械和化學的協同作用有效提高基片凸處表面的材料去除率,另一方面應利用緩蝕劑有效保護基片的凹處表面,降低其材料的腐蝕速度[4,5]。鎂合金性能活潑,因此緩蝕劑的選擇在鎂合金化學機械拋光中顯得極為重要,也是目前鎂合金CMP研究的熱點和難點問題之一[6-8]。

眾多研究學者對鎂合金的緩蝕進行了研究。李凌杰等[9]的研究表明十二烷基苯磺酸鈉\\(SDBS\\)對AZ31鎂合金在3.5%NaCl溶液中的緩蝕率達到90%,而且緩蝕率不受溫度的影響。趙蕊等[10]探索了SDBS對酸性中鎂合金緩蝕效果的影響規律,并解釋了SDBS吸附機理。然而關于堿性拋光液中緩蝕劑對鎂合金的腐蝕的研究報道得較少。本實驗分別選取磷酸氫二納和氟化鉀\\(KF\\)兩種緩蝕劑,研究其在堿性拋光液中對鎂合金基片的緩蝕性能。采用X射線光電子能譜儀分析緩蝕劑在鎂合金表面的膜層成分,并通過電化學分析法研究上述緩蝕劑在拋光液中對鎂合金緩蝕的作用機理。

1、實驗

1.1、實驗材料

試樣為AZ91D鎂合金,尺寸為20mm×20mm×5mm?；冻龉ぷ髅婷娣e:1.0cm2,非工作面利用環氧樹脂封裝;拋光液為堿性氧化鈰拋光液。

1.2、實驗設備

荷蘭IVIUM電化學工作站、X射線光電子能譜儀、掃描電子顯微鏡、超聲波清洗機。

1.3、實驗方法

通過電化學實驗研究鎂合金在含有兩種不同緩蝕劑拋光液中的極化曲線以及交流阻抗。極化曲線以及交流阻抗測量設置:采用三電極體系,參比電極為AgCl電極、輔助電極為Pt電極、測試介質為含4種不同緩蝕劑的拋光液,緩蝕劑在拋光液中含量分別0.1%、0.5%、1%、1.5%\\(質量分數\\);極化曲線電位掃描范圍-1.9~-0.5V,掃描速率為10mV/s;交流阻抗測試頻率范圍10-2~105Hz,阻抗測試擾動信號10mV;并通過掃描電鏡以及X射線光電子能譜儀分析鎂合金表面成膜形貌及成分。

2、結果與分析

2.1、Na2HPO4對鎂合金基片電化學性能的影響

圖1為鎂合金基片在添加了0.1%、0.5%、1%、1.5%\\(質量分數\\)Na2HPO4的化學機械拋光液中的極化曲線圖。由圖1可以看出,雖然Na2HPO4用量不同,但陽極極化曲線的形狀類似,陰極極化曲線變化顯著,并且自腐蝕電位顯著負移,說明Na2HPO4是一種陰極型緩蝕劑。由圖1、表1分析可得:加入Na2HPO4后,鎂合金的陰極析氫電化學過程被顯著抑制同時隨著Na2HPO4濃度的增加,自腐蝕電位明顯負移。當Na2HPO4的添加量達到1%\\(質量分數\\)后,自腐蝕電流密度不再發生明顯變化,緩蝕率由式\\(1\\)計算可得,為89.4%。

圖1 鎂合金在不同Na2HPO4含量拋光液中的極化曲線

圖2 鎂合金在不同Na2HPO4含量拋光液中的電化學阻抗譜

由圖2可以看出,加入緩蝕劑Na2HPO4后,鎂合金基片在拋光液中的交流阻抗譜的容抗弧曲率半徑明顯增大,當Na2HPO4含量達到1%\\(質量分數\\)時,容抗弧半徑最大。隨著Na2HPO4含量的增加,鎂合金表面形成的保護膜逐漸變得完整致密,Na2HPO4含量為1%\\(質量分數\\)時達到最佳。當Na2HPO4含量超過1%\\(質量分數\\)時,容抗弧半徑減小,緩蝕效果開始降低。由表1可以看出:當Na2HPO4含量為1%\\(質量分數\\)時,電荷轉移電阻Rt最大為7481Ω·cm-2,由式\\(2\\)計算緩蝕率為85.9%,緩蝕趨勢與極化曲線中自腐蝕電流密度數據所示趨勢一致。

2.2、KF對鎂合金基片電化學性能的影響

圖3為鎂合金基片在添加了0.1%、0.5%、1%、1.5%\\(質量分數\\)KF的拋光液中的極化曲線。由圖3可以看出,加入KF后鎂合金基片自腐蝕電位正移,隨著KF濃度的增大,自腐蝕電位正移明顯,且陰極支和陽極支都出現下降趨勢,表明陰極極化電流與陽極極化電流都受到了抑制。根據自腐蝕電流密度變化計算可得:當KF含量為1.5%\\(質量分數\\)時,由式\\(1\\)計算可得緩蝕率達82.7%。

圖3 鎂合金在不同KF含量拋光液中的極化曲線

圖4 鎂合金在不同KF含量拋光液中的電化學阻抗譜

由圖4可以看出,隨著緩蝕劑KF在拋光液中含量的增加,鎂合金基片在拋光液中的交流阻抗譜的容抗弧曲率半徑逐漸增大,當KF含量達到1.5%\\(質量分數\\)時,容抗弧半徑最大。從表2可以看出,當KF含量為1.5%\\(質量分數\\)時,電荷轉移電阻Rt最大為6902Ω·cm-2,由式\\(2\\)計算可得緩蝕率為82.6%,其趨勢與極化曲線中自腐蝕電流密度數據所示趨勢一致。綜合分析,Na2HPO4含量為1%\\(質量分數\\)時,電荷轉移電阻Rt最大為7481Ω·cm-2,電流密度最小為0.01441mA/cm2,大的電荷轉移電阻與小的電流密度表示緩蝕能力較強,因此1%\\(質量分數\\)Na2HPO4最有最佳緩蝕能力。

2.3、鎂合金表面成膜形貌及成分。

圖5為鎂合金基片放置于Na2HPO4含量為1%的拋光液中靜置10min并干燥后的表面形貌圖及膜層成分分析圖。

圖5 鎂合金在含Na2HPO4的拋光液中浸泡10min后的表面形貌及XPS圖

圖6為鎂合金基片放置于KF含量為1.5%\\(質量分數\\)的拋光液中靜置10min并干燥后的表面形貌圖及膜層成分分析圖。如圖6\\(a\\)所示,鎂合金基片表面生成顆粒狀物質;通過XPS分析其表面成分,如圖6\\(b\\)所示,發現在685.7eV處存在F 1s峰,這說明在含有氟離子的拋光液中,鎂合金的腐蝕能夠得到一定程度抑制。這可能是由于鎂合金表面形成了穩定的氟化鎂膜,抑制了鎂合金表面的腐蝕,但是氟化鎂在鎂合金基體表面的分布不均勻,不能很好地覆蓋在鎂合金的表面,所以在拋光液中KF對鎂合金的緩蝕效果不是很理想。

圖6 鎂合金在含KF的拋光液中浸泡10min后的表面形貌及XPS圖

3、結論

\\(1\\)1%\\(質量分數\\)磷酸氫二納電荷轉移電阻Rt最大為7481Ω·cm-2,電流密度最小為0.01441mA/cm2,具有最佳緩蝕能力。

\\(2\\)Na2HPO4在鎂合金表面生成完整的鈍化膜,具有很好的緩蝕能力。Na2HPO4在鎂合金表面分別生成MgHPO4,可以阻擋腐蝕介質向鎂合金表面靠近,能有效抑制鎂合金基片的腐蝕。