磁场和NaCl液膜耦合作用下铜腐蚀产物的演化.pdf
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1、23May2023CORROSION&PROTECTION2023年5月No.5Vol.44第44卷第5期腐蚀与防护D0I:10.11973/fsyfh-202305005磁场和NaCI液膜耦合作用下铜腐蚀产物的演化于学勇,朱重阳,王泽华(1.常熟理工学院汽车工程学院,常熟2 1550 0;2.河海大学力学与材料学院,南京2 1110 0)摘要:在外加磁场条件下对铜进行了静态NaCI液膜下腐蚀试验,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等技术研究了水平磁场对液膜下铜腐蚀产物演化的影响。结果表明:铜在NaC1液膜和磁场耦合环境中的腐蚀产物由疏松的Cuz(O H):CI 外层和致密的CuzO
2、内层组成;磁场没有改变铜在NaCl液膜下的腐蚀机理,但加速了腐蚀的进程,改变了腐蚀产物的形貌,经过30 d腐蚀后,腐蚀产物层表面形成了球状Cuz(O H):Cl 晶粒。关键词:磁场;铜;液膜下腐蚀;腐蚀机理中图分类号:TG174.31文献标志码:A文章编号:10 0 5-7 48 X(2 0 2 3)0 5-0 0 2 3-0 5Evolution of Copper Corrosion Products in a Coupling Environment of Magnetic Fieldand NaCl Electrolyte LayerYU Xueyong,ZHU Chongyang,W
3、ANG Zehua2(1.Automotive Engineering Department,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China;2.College of Mechanics and Materials,Hohai University,Nanjing 21l100,China)Abstract:Corrosion tests on copper under static NaCl electrolyte layer were carried out in applied magnetic field.The effec
4、t of horizontal magnetic field on corrosion product evolution of copper under electrolyte layer wasinvestigated through scanning electron microscopy(SEM)and X-ray diffraction(XRD).The results showed that thecorrosion products of copper consisted of loose outer layer with Cuz(OH),Cl and dense inner l
5、ayer with Cu,O in theenvironment of NaCl electrolyte layer coupling with magnetic field.The magnetic field did not change the corrosionmechanism of copper under electrolyte layer,but accelerated the corrosion process and changed the morphology ofcorrosion products.After 30 days of corrosion,spherica
6、l Cuz(OH)Cl grains formed on the surface of the corrosionproduct layer.Key words:magnetic field;copper;corrosion under electrolyte layer;corrosion mechanism铜作为一种电子材料,因其优异的电学性能,在电子工业中得到广泛应用 1-2 。电子元件运行时,会产生电磁场,电磁场又会作用于电子元件。在电磁环境中,铜的腐蚀问题引起了研究者的广泛关注。磁场与金属腐蚀反应的相互作用机理尚处于探索阶段。磁场对金属腐蚀行为的影响不仅取决于金属本身特性和磁场的性质
7、,还受到大气中氧及腐蚀性气体含量的影响。研究人员对磁场环境中铜腐蚀问题进行深入研究后发现,磁场可以通过洛伦兹力影响传质进而影响铜的腐蚀进程 3-5。在含氯离子溶液中,当铜与氯离子反应时,铜阳极溶解产生可溶性收稿日期:2 0 2 1-0 7-2 5基金项目:常熟理工学院青年基金项目(QZ00601)通信作者:于学勇(19 7 5一),副教授,博士,有色金属腐蚀与防护技术,159 9 59 6 9 336,CuCl2,这一过程受到质量传输和电荷转移的控制 6-7 电子设备中的铜通常暴露在大气环境中,电子元器件的大气腐蚀一般发生在电解质薄液膜下 8 目前,关于不同因素如液膜厚度、污染物和直流电场 2
8、-3.8 等对铜腐蚀行为影响的研究报道较多。然而,迄今为止,有关磁场对铜大气腐蚀产物演化规律的研究报道甚少。本工作在磁场和液膜耦合环境中研究了铜腐蚀产物随腐蚀时间的演化规律。1试验1.1试样制备选用工业纯铜(纯度9 9.9 8%)作为试验材料,将试验材料线切割成10 mm10mmX4mm的试样,再把两个相同的试样嵌人环氧树脂中分别作为24:磁场和NaCI液膜耦合作用下铜腐蚀产物的演化十用工作电极和对电极,并保证两个电极之间的距离为1.5mm,如图1所示。每个电极的背面都焊接了一根导线。在测试之前,电极表面用砂纸打磨,然后抛光至镜面光亮,再依次用蒸馏水,乙醇超声波清洗,最后用冷风吹干WECECE
9、WE1.5 mm4mm4mm环氧树脂图1电极示意图和实物图Fig.1Schematic diagram and physical pictureof electrode1.2试验方法采用自行设计的装置8 在外加水平磁场条件下对铜电极试样进行液膜下腐蚀试验。试验条件如下:电解质液膜为0.1mol/LNaCl溶液,液膜厚度为18 0 m;水平磁场的磁感应强度分别为0(无磁场)、0.3T;试验温度为室温;腐蚀时间分别为6、12、2 0、30 d。试验结束后,用CARL-ZEISS-simga300型扫描电镜(SEM)观察腐蚀产物的微观形貌,用rigakud/max-2200/PC型X射线衍射仪(XR
10、D)分析腐蚀产物的相组成,2结果与讨论2.1表面形貌在扫描电镜低倍下可见,在无外加磁场液膜下腐蚀6 d后,铜表面已形成完整的腐蚀产物膜,这层腐蚀产物称为外层腐蚀产物,见图2(a);液膜下腐蚀12 d后,外层腐蚀产物开始溶解并脱落,同时在外层产物膜与基体界面处又形成新的腐蚀产物,称为内层腐蚀产物,见图2(b);液膜下腐蚀2 0 d后,溶解并脱落的外层腐蚀产物膜更多,并且内层产物膜已经基本形成,见图2(c);液膜下腐蚀30 d后,铜表面的外层腐蚀产物膜已脱落干净,内层产物膜也已经完全形成,见图2(d)。在外加0.3T磁场液膜下腐蚀6 d后,铜表面的外层腐蚀产物膜已经开始脱落,见图2(e);经过12
11、 d的液膜下腐蚀后,外层腐蚀产物膜已经溶解并脱落干净,内层产物膜已经完全形成,见图2(f);随后经过2 0 d和30 d的液膜下腐蚀后,内层腐蚀产物膜中的产物晶粒开始长大,见图2(g,h)。以上结果表明,施加0.3T磁场后,铜表面腐蚀产物膜溶解脱落的时间变短,腐蚀进程加快。在扫描电镜高倍下可见,在无外加磁场液膜下腐蚀6 d后,铜表面的腐蚀产物比较平整致密,见图3(a);经12 d液膜下腐蚀后,腐蚀产物膜很致密,但表面凸凹不平,这表明腐蚀产物晶粒生长很20um20um20um20um(a)0 T,6d(b)0 T,12 d(c)0 T,20 d(d)0 T,30d20um20m20um20um(
12、e)0.3 T,6 d(f)0.3 T,12d(g)0.3 T,20d(h)0.3 T,30 d图2不同条件下NaCI液膜下腐蚀后铜的低倍SEM形貌Fig.2Low magnified SEM images of copper corroded under NaCl electrolyte layer in different conditions25:磁场和NaI液膜下铜腐蚀产物的演化外层1m1m1um200m(a)0 T,6 d(b)0 T,12 d(c)0 T,20 d(d)0T,30d1umum1um1m(e)0.3 T,6 d(f)0.3 T,12 d(g)0.3 T,20 d(h)
13、0.3T,30d图3不同条件下NaCI液膜下腐蚀后铜的高倍SEM形貌Fig.3High magnified SEM images of copper corroded under NaCl electrolyte layer in different conditions快,基体已经受到了严重的腐蚀,见图3(b);经2 0 d液膜下腐蚀后,内层腐蚀产物膜的晶粒粗大,并且呈多面体形状,见图3(c),多面体形状的腐蚀产物为CuzOL-101;经30 d的液膜下腐蚀后,内层腐蚀产物膜的表面有更多的Cu晶粒生成,并且CuO晶粒更加致密,见图3(d),对基体的保护作用更好。在外加0.3T磁场液膜下腐蚀6
14、 d后,腐蚀产物膜覆盖较为完整但不平整,并且腐蚀产物膜已经有溶解痕迹,见图3(e);经12 d液膜下腐蚀后,铜表面的外层腐蚀产物膜已溶解并脱落干净,内层腐蚀产物膜已经完全形成,并且比较致密,见图3(f);经2 0 d液膜下腐蚀后,内层腐蚀产物膜的晶粒粗大,表面也变得不平整,见图3(g);经30 d液膜下腐蚀后,内层产物膜的表面有球状产物形成并长大,见图3(h)。以上结果表明,施加0.3T磁场后,腐蚀产物晶粒的形状发生了改变,球状腐蚀产物没有布满整个基体表面,致密性不好,对基体的保护作用变差。2.2腐蚀产物成分EDS分析结果表明,腐蚀产物外层主要元素为铜、氧、氯,其原子比为30:55:14(接近
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