铁素体不锈钢表面制备p-n结结构钝化膜的理论基础及耐蚀机制研究

The semiconducting property of stainless steel’s passive film is an important factor affecting its resistance to corrosion. Based on the previous theoretical studies and practical experiments, the present application aims at exploring the semiconducting property, structure and compositions of the passive film formed on 430 stainless steel in the HNO3 or NaOH solutions of different concentrations, and identifying the relationship of passive film’s semiconducting property, structure and compositions, and anti-corrosion ability. Further researches will focus on the technical basis of forming a passive film with P-N junction double-layer structure, or P-N-P and N-P-N multi-layer structure by chemical or electro-chemical methods in solutions of different cation species, cation concentrations and pH. Mott-Schottky theories and photo-electrochemistry techniques will be employed to analyze the semiconducting properties of the prepared passive films. The electronic transport ability of the passive layer, and its electronic difference with the practical P-N element will also be mainly studied. The mechanism of how the P-N junction structure of passive film influence its’ stability will be investigated by electrochemical impedance spectroscopy, linear polarization curve. These researches will provide some new information and ideas for the development of surface anti-corrosion treatment of ferrite stainless steels.

不锈钢表面钝化膜的半导体属性对其耐蚀性有重要影响。本申请拟在前期理论研究和相关实验工作的基础上，研究430不锈钢在不同浓度的HNO3和NaOH溶液中形成钝化膜的半导体属性；采用XPS、AES等手段分析钝化膜的结构和组成；建立半导体属性与钝化膜组织结构以及耐蚀性三者之间的关联机制。进一步研究在不同阳离子类型、浓度以及pH 值的溶液中，采用化学或电化学方法人工制备出具有p-n结的双层结构、p-n-p或n-p-n型多层结构的钝化膜的工艺基础。采用Mott-Schottky理论和光电化学技术对制备的钝化膜半导体属性进行分析；重点研究钝化膜p-n结的电子传输性质，探讨与宏观电学p-n结性质的差异；采用电化学阻抗、极化曲线等手段研究p-n结对钝化膜稳定性的影响机制。研究成果为发展铁素体不锈钢表面耐蚀处理新技术提供思路。

本世纪以来由于镍等原材料价格一路攀升，促使研究者们不断探索用耐蚀性较差但不含镍的铁素体不锈钢取代奥氏体不锈钢的可能，研究铁素体不锈钢钝化膜的耐蚀机制以及发展新型表面处理方法具有重要的应用意义。本项目取得的主要研究成果包括：（1）研究了430不锈钢在不同浓度的HNO3 和NaOH溶液中形成钝化膜的半导体属性；采用XPS、AES 等手段分析了钝化膜的结构和组成；建立半导体属性与钝化膜组织结构以及耐蚀性三者之间的关联机制。（2）在特定溶液中依次进行钝化，生成p-n结的双层结构、p-n-p或n-p-n 型多层结构的钝化膜；研究了不同阳离子对钝化膜半导体属性的影响规律，为人为设计钝化膜半导体属性提供指导。采用Mott-Schottky 理论和光电化学技术对制备的钝化膜半导体属性进行了分析；重点研究了钝化膜p-n 结的电子传输性质，探讨与宏观电学p-n 结性质的差异；采用电化学阻抗、极化曲线等手段研究了p-n 结对钝化膜稳定性的影响机制；对两种方法的研究结论分析及相互验证。（3）研究了304奥氏体不锈钢和430铁素体不锈钢钝化膜的电化学特性，搞清了Ni元素对于不锈钢钝化膜稳定性提升的机制；经过钝化后不锈钢的钝化膜厚度和致密度都会提升，钝化膜中的点缺陷会减少，而点缺陷是引起不锈钢点蚀的主要诱因，所以钝化后不锈钢的抗点蚀能力有明显提高。研究成果为发展不锈钢表面耐蚀处理新技术提供思路，具有重要的科学意义。