清華大學材料科學與工程系白新德、尤引娟、馬春來、陳文莉于1996年1月利用18O示蹤和核反應分析研究不(bu)銹鋼的著色機理。他們利用18O同位素氧的示蹤技術和18O(P,a)15N核反應分析研究了不銹鋼在H2SO4-CrO3 溶液中的氧化膜機理，用ESCA分析了不銹鋼表面氧化物的價態。
一、實驗過(guo)程
1. 材料與拋光
①. 實驗材料為304不銹(xiu)鋼
②. 電拋光預處理(li)
拋光液為H2SO4-H3PO4溶液，電流密度為80A/d㎡,溫度為65℃,時間為70秒。
2. 著色(se)液配制
①. 自然(ran)著色液
用蒸餾水（含160)加H2SO4、CrO3配制而成。
②. 示(shi)蹤(zong)溶液(ye)
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(zhi)作
①. 0#不銹(xiu)鋼樣(yang)品
在(zai)自然著(zhu)(zhu)色(se)(se)液中著(zhu)(zhu)色(se)(se)，隨著(zhu)(zhu)著(zhu)(zhu)色(se)(se)時間的(de)增長，不銹(xiu)鋼表面氧化膜不斷增厚，逐漸呈現棕(zong)色(se)(se)→藍(lan)色(se)(se)→金(jin)黃(huang)色(se)(se)→紫紅色(se)(se)→綠色(se)(se)色(se)(se)序。
②. 1#不銹鋼樣品
在(zai)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(rong)液中著色至(zhi)棕色（膜厚約10000nm),取出(chu)立即浸入示蹤差角(jiao)液中繼續差負至(zhi)分黃取山洗(xi)凈烘干。
④. 3#、4#樣品均先在(zai)自然溶液中著色至(zhi)棕色，再(zai)分別(bie)在(zai)示蹤溶液中著色至(zhi)紫(zi)紅(hong)色（約50000nm)和綠色（約70000nm)。
⑤. 5#樣品(pin)不經過自(zi)然(ran)溶液著色，直接(jie)浸入示蹤(zong)溶液中著色至(zhi)藍色取出。
4. 18O濃度分布
對上述4種樣品進16O(d,r)、17O和18O(P,a)15N核反應分析，從2MeV的Dan De Granff加速器中由 629keV下約2keV共振寬度18O（P,a)15N核反應激發曲線的分析可確定18O的濃度分布。
5. 用ESCA分析金黃色(se)著(zhu)色(se)膜中Fe、Cr、Ni元素的價態
二、實驗結果及分析(xi)
1. 18O示蹤結果表明，18O已進入到膜的深處，這說明作為溶劑的H218O也參加反應
反應過程(cheng)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，無論是溶質（CrO3)還是溶劑（H2O),均參與了成膜反應。
2. 著色(se)膜(mo)（氧化膜(mo)）的(de)生(sheng)長是由氧離子和金屬離子遷(qian)移、相遇所決定(ding)的(de)
圖8-4表明18O分布峰位并不在膜的表面。因此，新膜的生長不只是由于金屬離子單向由內向外運動，其成膜遷移機理不會按圖8-5(a)所示的規律進行。同時，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)所示的規律成膜。因為新生膜生長不是在預生膜內成膜的，因此，也不會是開始時主要是金屬離子向外遷移，按圖8-5(c)所示的規律成膜。只有開始成膜主要是氧離子向內遷移，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遷移速率不可能在距離膜表面一定深度（如實驗得出約10000nm)并超過預氧化生膜厚度處相遇成膜，即按圖8-5(d)所示的規律成膜。
3. 利用核(he)反應分(fen)析和180示蹤方法可以研究
金屬在電解液中(zhong)形(xing)成氧化(hua)膜(mo)過程中(zhong)氧和金屬離子的遷移方向(xiang)及(ji)成膜(mo)區域(yu)。
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中氧向內擴散，在膜生長達一定厚度（約10000nm)后，氧的擴散隨膜增厚阻力的增大，逐漸變為以金屬離子向外擴散為主。
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的形態存在，這可由ESCA分析得出Fe、Cr、Ni在膜中存在的價態相一致。
