CN117147382A - 一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 - Google Patents
一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117147382A CN117147382A CN202310985511.2A CN202310985511A CN117147382A CN 117147382 A CN117147382 A CN 117147382A CN 202310985511 A CN202310985511 A CN 202310985511A CN 117147382 A CN117147382 A CN 117147382A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- grain boundary
- hydrogen
- skpfm
- diffusion
- hydrogen atoms
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 title claims abstract description 128
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000005324 grain boundary diffusion Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012360 testing method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 84
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 84
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 76
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 57
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 33
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 33
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 238000007711 solidification Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000008023 solidification Effects 0.000 claims abstract description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 54
- 238000007600 charging Methods 0.000 claims description 46
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 32
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 claims description 27
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 23
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 17
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 238000010998 test method Methods 0.000 claims description 11
- 238000011835 investigation Methods 0.000 claims description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 claims description 6
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- 238000010079 rubber tapping Methods 0.000 claims description 5
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 5
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 33
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 25
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 22
- UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N thiourea Chemical compound NC(N)=S UMGDCJDMYOKAJW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 14
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 12
- VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N perchloric acid Chemical compound OCl(=O)(=O)=O VLTRZXGMWDSKGL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 9
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Natural products NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 8
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 229960000583 acetic acid Drugs 0.000 description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 4
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 4
- 239000012362 glacial acetic acid Substances 0.000 description 4
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 description 3
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000005429 filling process Methods 0.000 description 3
- 238000007517 polishing process Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010325 electrochemical charging Methods 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 239000002585 base Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
- G01N13/04—Investigating osmotic effects
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
- G01N2013/003—Diffusion; diffusivity between liquids
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
本发明提供一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法，涉及氢能利用的技术领域。所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置包括被研究的目标晶界、悬臂梁、电解池、铂丝、直流电源。所述方法是对于定向凝固后的柱状晶材料，确定某一晶界为研究晶界，然后制备悬臂梁连通电解池的样品，电解过程中氢原子向研究晶界扩散并逐渐横跨过此晶界，利用SKPFM在晶界位置进行连续扫描，从而可以实时观测氢横跨晶界的行为。本发明方法相对于其他传统方法，通过装置结构设置和测试方法的设计，使得对氢原子横跨目标晶界扩散行为、高通量研究、以及实时监测研究成为现实，提高材料的抗氢脆性能，结论真实可靠有保障，利于工业推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及氢能利用的技术领域，尤其涉及一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法。
背景技术
氢能，作为一种可再生的清洁能源，其通常被视作解决目前全球能源和环境危机的有效方案，也是我国实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要措施。然而遗憾的是，氢能在储存、运输以及使用过程中几乎不可避免地会与金属材料接触，而临氢环境下的金属材料往往会发生氢脆失效，这一点已经成为制约氢能利用的关键因素。
环境中的氢以原子的形式进入金属材料，存在于材料中的间隙或缺陷处。氢原子在金属材料中会发生扩散运输，从而使大量的氢富集在缺陷处，在应力作用下，氢原子与材料本身发生相互作用，从而降低材料韧性，使其发生滞后断裂，这种现象被称为氢脆。可以看到，氢原子在金属材料中的扩散运输是发生氢脆过程的必要环节。因此为了深入理解金属材料的氢脆机理，从而进一步开发抗氢脆材料，澄清氢原子在金属材料中的扩散行为至关重要。
而晶界，作为金属材料中最常见的二维缺陷，其对氢原子的扩散运输贡献很大。考虑到晶界结构的复杂性、晶界种类的多样性，氢原子与晶界的相互作用很难通过实验直接测量。
发明人所在研究团队之前利用SKPFM测氢技术创造性地研究了氢原子沿目标晶界的扩散行为，发现不同种类的晶界对氢扩散的影响不同。受此启发，氢原子在运输过程中不可避免地会有横跨晶界扩散的情况，二维晶界是否会作为一种扩散屏障，从而阻碍氢原子扩散？对于这一问题，查阅相关文献，发现国内外至今尚未有关于氢原子横跨晶界扩散的实验研究报道，绝大多数都是关于氢原子沿晶界扩散的行为研究。
中国专利CN113884411A公开了一种利用SKPFM测试材料中局部组织氢扩散系数的方法，其是通过将金属材料制成的片状试样作为电化学充氢槽的工作电极，使其下表面浸泡在电化学充氢溶液中；在保持试样水平和氮气环境的条件下，以原子力显微镜观测试样的上表面；启动充氢槽使试样的下表面发生充氢反应，根据接触电势差变化量的情况记录变化时间，进而计算试样所用材料的氢扩散系数；显然并不能够检测氢原子横跨目标晶界扩散，只能宏观测量局部组织氢扩散系数，并不能够发现不同种类的晶界对氢扩散的影响。
这主要是因为晶界的二维尺寸特性，从而使其横向测量十分困难。
此外，如何只在晶界一侧引入氢浓度梯度，从而使氢原子在浓度梯度驱动下自发地横跨晶界扩散，也是一个尚未解决的难题。
因此，设计一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散的装置及测试方法，从而直接观察氢原子横跨目标晶界的扩散行为，进一步研究不同种类晶界对氢原子横向扩散的影响，是目前涉及氢脆及氢能领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是当前并没有一种技术能够监测氢原子横跨晶界扩散，现有技术中的侧重点在于检测氢原子沿晶界扩散的行为以及扩散后的氢原子在材料中的分布情况，并未有考虑氢原子横跨晶界扩散的行为以及这种行为对材料韧性的影响，氢原子在金属材料内的运输和分布行为难以预期。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置包括被研究的目标晶界、悬臂梁、电解池、铂丝、直流电源，其中：所述被研究的目标晶界横跨所述悬臂梁，所述电解池包括电解池壁A和电解池壁B，所述电解池壁A和所述电解池壁B与所述悬臂梁相接，所述铂丝与所述直流电源的正极经导线相连接，所述被研究的目标晶界经导线与所述直流电源的负极相连接。
优选地，所述被研究的目标晶界可以为一个或多个，多个的时候可以选择相同的目标晶界或不同的目标晶界。
一种基于上述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法如下步骤：
S1、确定定向凝固后的柱状晶材料的某一晶界为被研究的目标晶界；
S2、制备悬臂梁连通电解池的试样，其中S1的被研究的目标晶界位于悬臂梁上；
S3、在电解池中装入电解液并进行电解充氢，从而将氢原子引入S2的整个试样；
S4、S3电解充氢开始后，在浓度梯度的驱动下，氢原子向悬臂梁上的被研究的目标晶界扩散，并逐渐横跨过被研究的目标晶界；
S5、S4的电解充氢完成后，立刻利用SKPFM在室温下对被研究的目标晶界进行连续扫描，实时观察氢横跨晶界的行为。
优选地，S1中确定定向凝固后的柱状晶材料的某一晶界为研究的目标晶界：首先要确定柱状晶中要研究的晶界种类，此要求可通过扫描电子显微镜中的电子背散射衍射(EBSD)技术实现；其次要在进行此测试前需要将样品进行电解抛光，从而去除表面应变层，提高标定率。
优选地，S2中位于悬臂梁上的被研究的目标晶界可以有单一晶界的多个或不同晶界的多种。
优选地，S2中制备悬臂梁连通电解池的试样，为了缩短测量时间，根据氢原子在不同材料中的扩散速率，与悬臂梁相接的两个电解池壁厚度需要进行调整。
优选地，S2中氢原子在纯镍中的扩散系数为10-14m2/s，此时电解池壁A和电解池壁B的厚度为0.15mm。
优选地，S3中被研究的目标晶界位于悬臂梁上，且需要设置在垂直于氢原子自发扩散的方向上，由此可以实时观察氢原子横跨此晶界时的扩散行为。
优选地，S3中电解充氢需要在电解池中装入酸或碱的电解液，为了提高充氢效率，在溶液中加入氢原子复合毒化剂。
优选地，S3中在电解池中装入酸或碱的电解液，如0.1mol/L NaOH溶液，为了提高充氢效率，可在溶液中加入氢原子复合毒化剂，如0.22g/L的硫脲。而电解液中加入硫脲可以阻碍溶液中电解得到的氢原子复合为氢分子跑掉，从而使更多的氢原子进入样品。
优选地，S4中对样品进行电解充氢，充氢时将铂丝插入电解液，并接通直流电源的正极，选定充氢电流密度为10mA/cm2，根据电解池内壁面积计算充氢电流，并在直流电源上进行设置。
优选地，S4中电解充氢的时间不宜过长，以免在充氢过程中氢原子已经横跨过晶界扩散，从而无法利用SKPFM观察。对于纯镍，可以选择充氢时间为2小时。
优选地，S5中被研究的目标晶界需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光。
优选地，S5中电解抛光时样品接直流电源的正极，负极接不锈钢，一般在酸性溶液中进行。
优选地，S5中SKFPM测试在室温下进行，采用tapping模式和lift技术进行电势的测量，所用探针为双面镀铂的硅探针。
优选地，S2中为单一晶界的多个，S1中在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，实时观察氢横跨不同种类晶界的多种行为，获得氢原子横跨不同种类晶界的高通量试样扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
本发明的测试原理：
氢原子进入金属材料后会引起材料表面功函数的降低，原子力显微镜的SKPFM测量模块可以通过开尔文的方法测量探针针尖与样品表面之间的接触电势差(VCPD)，而接触电势差与样品表面功函数的关系可以表示为：
式中，分别表示针尖和样品的表面功函数，e为电子电荷数。由此可以看到，氢原子降低了样品表面功函数，从而改变了探针针尖与样品的接触电势差，因此可以通过SKPFM可视化地描绘材料表面氢原子的分布。
上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案，本发明提出了一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置及其测试方法，可以解决现有技术中氢原子横跨晶界难以监测的问题，使得氢原子横跨晶界的监测得以实施。
本发明通过装置可以观察氢原子横跨任意目标晶界的扩散情况，从而为深入理解金属材料中氢原子的运输行为、进一步实现材料的抗氢脆设计提供理论和实验支持。
本发明是国内外首次提出的可由实验直接测量氢原子横跨目标晶界扩散行为的实验装置及方法，具有独创性，且实施过程简单，结果直观可靠。
本发明在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，实时观察氢横跨不同种类晶界的行为，获得氢原子横跨不同种类晶界的扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
本发明的装置结构可以对氢原子横跨目标晶界扩散行为进行高通量研究，从而为氢原子在金属材料内的整体运输和分布的调整提供理论依据，能够更好的改善金属材料的抗氢脆性能。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过装置结构设置和测试方法的设计，使得对氢原子横跨目标晶界扩散行为、高通量研究、以及实时监测研究成为现实，提高材料的抗氢脆性能，能够为金属材料的应用领域拓展提供理论依据和实验研究，其装置和工艺流程简单，结论真实可靠有保障，利于工业推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置结构示意图；图中：1-铂丝，2-悬臂梁，3-被研究的目标晶界，4-连通悬臂梁的电解池，5-直流电源；
图2为本发明实施例1的一种基于利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法中EBSD技术获得本发明实施例中被研究晶界的反极图；
图3为本发明实施例1的一种基于利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法所获得的电解充氢后不同时间下被研究晶界处氢原子分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置包括被研究的目标晶界3、悬臂梁2、连通悬臂梁的电解池4、铂丝1、直流电源5，其中：被研究的目标晶界3横跨悬臂梁2，连通悬臂梁的电解池4包括电解池壁A和电解池壁B，电解池壁A和电解池壁B与悬臂梁2相接，铂丝1与直流电源5的正极经导线相连接，被研究的目标晶界3经导线与直流电源5的负极相连接。
其中，被研究的目标晶界3可以为一个或多个，多个的时候可以选择相同的目标晶界或不同的目标晶界。
实施例1
一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，以纯镍材料为例，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法如下步骤：
S1、首先，对于定向凝固后的纯镍材料，要确定柱状晶中要研究的晶界种类，此要求可通过扫描电子显微镜中的电子背散射衍射(EBSD)技术实现；
其次，要在进行此测试前需要将样品进行电解抛光，从而去除表面应变层，提高标定率；
选择纯镍材料的电解抛光工艺为：电解抛光溶液为高氯酸、冰醋酸、乙醇的混合溶液，三者体积分数比为1:3:4，电解抛光电压为30V，温度为0℃，时间为20s；
从而确定定向凝固后的柱状晶材料的取向差为45°的随机晶界为被研究的目标晶界，结果如图2所示；
S2、制备悬臂梁连通电解池的试样，其中S1的被研究的目标晶界位于悬臂梁上并横跨悬臂梁，且垂直于氢原子自发扩散的方向；而由于氢原子在纯镍中的扩散系数为10- 14m2/s，故而选择电解池壁A和电解池壁B的厚度为0.15mm；由于电解池壁A的外表面和悬臂梁表面需要进行SKPFM测试，故而需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光；
S3、在电解池中装入电解液并进行电解充氢，电解充氢需要在电解池中装入酸或碱的电解液，为了提高充氢效率，在溶液中加入氢原子复合毒化剂，从而将氢原子引入S2的整个试样；
故而在样品的电解池中装入电解液，电解液为0.1mol/L NaOH+0.22g/L硫脲溶液，加入硫脲为了阻碍溶液中电解得到的氢原子复合为氢分子跑掉，从而使更多的氢原子进入样品，提高充氢效率；
而充氢时将铂丝插入电解液，并接通直流电源的正极，选定充氢电流密度为10mA/cm2，根据电解池内壁面积计算充氢电流，并在直流电源上进行设置；
S4、S3电解充氢开始后，在浓度梯度的驱动下，氢原子向悬臂梁上的被研究的目标晶界扩散，并逐渐横跨过被研究的目标晶界；且电解充氢的时间不宜过长，以免在充氢过程中氢原子已经横跨过晶界扩散，从而无法利用SKPFM观察；对于纯镍，可以选择充氢时间为2小时；
S5、S4的电解充氢完成后，立刻利用SKPFM在室温下对被研究的目标晶界进行连续扫描，采用tapping模式和lift技术进行电势的测量，所用探针为双面镀铂的硅探针，实时观察氢横跨晶界的行为；其中：被研究的目标晶界需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光。
如图3所示，随着扩散时间的增加，氢浓度梯度逐渐由晶界右侧推进到左侧，并且在横跨晶界的扩散过程中，此晶界起到了二维屏障的作用，阻碍了氢原子的扩散。
本实施例S2中为单一晶界，S1中在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，实时观察氢横跨不同种类晶界的多种行为，获得氢原子横跨不同种类晶界的高通量试样扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
实施例2
一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，以纯镍材料为例，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法如下步骤：
S1、首先，对于定向凝固后的纯镍材料，要确定柱状晶中要研究的晶界种类，可以为2-3种，此要求可通过扫描电子显微镜中的电子背散射衍射(EBSD)技术实现；
其次，要在进行此测试前需要将样品进行电解抛光，从而去除表面应变层，提高标定率；
选择纯镍材料的电解抛光工艺为：电解抛光溶液为高氯酸、冰醋酸、乙醇的混合溶液，三者体积分数比为1:3:4，电解抛光电压为30V，温度为0℃，时间为20s；
S2、制备悬臂梁连通电解池的试样，其中S1的被研究的目标晶界位于悬臂梁上并横跨悬臂梁，且垂直于氢原子自发扩散的方向；而由于氢原子在纯镍中的扩散系数为10- 14m2/s，故而选择电解池壁A和电解池壁B的厚度为0.15mm；由于电解池壁A的外表面和悬臂梁表面需要进行SKPFM测试，故而需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光；
S3、在电解池中装入电解液并进行电解充氢，电解充氢需要在电解池中装入酸或碱的电解液，为了提高充氢效率，在溶液中加入氢原子复合毒化剂，从而将氢原子引入S2的整个试样；
故而在样品的电解池中装入电解液，电解液为0.1mol/L NaOH+0.22g/L硫脲溶液，加入硫脲为了阻碍溶液中电解得到的氢原子复合为氢分子跑掉，从而使更多的氢原子进入样品，提高充氢效率；
而充氢时将铂丝插入电解液，并接通直流电源的正极，选定充氢电流密度为10mA/cm2，根据电解池内壁面积计算充氢电流，并在直流电源上进行设置；
S4、S3电解充氢开始后，在浓度梯度的驱动下，氢原子向悬臂梁上的被研究的目标晶界扩散，并逐渐横跨过被研究的目标晶界；且电解充氢的时间不宜过长，以免在充氢过程中氢原子已经横跨过晶界扩散，从而无法利用SKPFM观察；对于纯镍，可以选择充氢时间为2小时；
S5、S4的电解充氢完成后，立刻利用SKPFM在室温下对被研究的目标晶界进行连续扫描，采用tapping模式和lift技术进行电势的测量，所用探针为双面镀铂的硅探针，实时观察氢横跨晶界的行为；其中：被研究的目标晶界需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光。
随着扩散时间的增加，氢浓度梯度逐渐由2-3种晶界右侧推进到左侧，由此可以实时监测氢原子横跨纯镍中不同种类晶界的扩散情况。
本实施例S2中为2-3种晶界，S1中在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，可以一次观察氢横跨不同种类晶界的多种行为，获得氢原子横跨不同种类晶界的高通量试样扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
实施例3
一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，以纯铁材料为例，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法如下步骤：
S1、首先，对于定向凝固后的纯铁材料，要确定柱状晶中要研究的晶界种类，此要求可通过扫描电子显微镜中的电子背散射衍射(EBSD)技术实现；
其次，要在进行此测试前需要将样品进行电解抛光，从而去除表面应变层，提高标定率；
选择纯铁材料的电解抛光工艺为：电解抛光溶液为5％(体积分数)的高氯酸酒精溶液，电解抛光电压为30V，电流为0.71A，电解液温度为10℃，电解时间为20s；
S2、制备悬臂梁连通电解池的试样，其中S1的被研究的目标晶界位于悬臂梁上并横跨悬臂梁，且垂直于氢原子自发扩散的方向；而由于氢原子在纯铁中的扩散系数为10- 11m2/s，故而选择电解池壁A和电解池壁B的厚度为1mm；由于电解池壁A的外表面和悬臂梁表面需要进行SKPFM测试，故而需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光；
S3、在电解池中装入电解液并进行电解充氢，电解充氢需要在电解池中装入酸或碱的电解液，为了提高充氢效率，在溶液中加入氢原子复合毒化剂，从而将氢原子引入S2的整个试样；
故而在样品的电解池中装入电解液，电解液为0.5mol/L H2SO4+0.22g/L硫脲溶液，加入硫脲为了阻碍溶液中电解得到的氢原子复合为氢分子跑掉，从而使更多的氢原子进入样品，提高充氢效率；
而充氢时将铂丝插入电解液，并接通直流电源的正极，选定充氢电流密度为10mA/cm2，根据电解池内壁面积计算充氢电流，并在直流电源上进行设置；
S4、S3电解充氢开始后，在浓度梯度的驱动下，氢原子向悬臂梁上的被研究的目标晶界扩散，并逐渐横跨过被研究的目标晶界；且电解充氢的时间不宜过长，以免在充氢过程中氢原子已经横跨过晶界扩散，从而无法利用SKPFM观察；对于纯铁，可以选择充氢时间为1小时；
S5、S4的电解充氢完成后，立刻利用SKPFM在室温下对被研究的目标晶界进行连续扫描，采用tapping模式和lift技术进行电势的测量，所用探针为双面镀铂的硅探针，实时观察氢横跨晶界的行为；其中：被研究的目标晶界需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光。
随着扩散时间的增加，氢浓度梯度逐渐由被研究晶界的右侧推进到左侧，由此可以实时监测氢原子横跨纯铁中不同种类晶界的扩散情况。
本实施例S2中为单一晶界，S1中在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，可以实时观察氢横跨不同种类晶界的多种行为，获得氢原子横跨纯铁中不同种类晶界的高通量试样扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
上述方案，本发明提出了一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置及其测试方法，可以解决现有技术中氢原子横跨晶界难以监测的问题，使得氢原子横跨晶界的监测得以实施。
本发明通过装置可以观察氢原子横跨任意目标晶界的扩散情况，从而为深入理解金属材料中氢原子的运输行为、进一步实现材料的抗氢脆设计提供理论和实验支持。
本发明是国内外首次提出的可由实验直接测量氢原子横跨目标晶界扩散行为的实验装置及方法，具有独创性，且实施过程简单，结果直观可靠。
本发明在定向凝固的柱状晶材料内通过EBSD技术选择不同种类的晶界，通过S2-S5，实时观察氢横跨不同种类晶界的行为，获得氢原子横跨不同种类晶界的扩散情况，从而进一步为研究氢原子在金属材料内的运输和分布行为提供理论与实验支持。
本发明的装置结构可以对氢原子横跨目标晶界扩散行为进行高通量研究，从而为氢原子在金属材料内的整体运输和分布的调整提供理论依据，能够更好的改善金属材料的抗氢脆性能。
总之，本发明方法相对于其他传统方法，通过装置结构设置和测试方法的设计，使得对氢原子横跨目标晶界扩散行为、高通量研究、以及实时监测研究成为现实，提高材料的抗氢脆性能，能够为金属材料的应用领域拓展提供理论依据和实验研究，其装置和工艺流程简单，结论真实可靠有保障，利于工业推广使用。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置，其特征在于，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置包括被研究的目标晶界、悬臂梁、电解池、铂丝、直流电源，其中：所述被研究的目标晶界横跨所述悬臂梁，所述电解池包括电解池壁A和电解池壁B，所述电解池壁A和所述电解池壁B与所述悬臂梁相接，所述铂丝与所述直流电源的正极经导线相连接，所述被研究的目标晶界经导线与所述直流电源的负极相连接。
2.一种基于权利要求1的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，所述利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法如下步骤：
S1、确定定向凝固后的柱状晶材料的某一晶界为被研究的目标晶界；
S2、制备悬臂梁连通电解池的试样，其中S1的被研究的目标晶界位于悬臂梁上；
S3、在电解池中装入电解液并进行电解充氢，从而将氢原子引入S2的整个试样；
S4、S3电解充氢开始后，在浓度梯度的驱动下，氢原子向悬臂梁上的被研究的目标晶界扩散，并逐渐横跨过被研究的目标晶界；
S5、S4的电解充氢完成后，立刻利用SKPFM在室温下对被研究的目标晶界进行连续扫描，实时观察氢横跨晶界的行为。
3.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S1中确定定向凝固后的柱状晶材料的某一晶界为研究的目标晶界：首先要确定柱状晶中要研究的晶界种类，此要求可通过扫描电子显微镜中的电子背散射衍射(EBSD)技术实现；其次要在进行此测试前需要将样品进行电解抛光，从而去除表面应变层，提高标定率。
4.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S2中制备悬臂梁连通电解池的试样，为了缩短测量时间，根据氢原子在不同材料中的扩散速率，与悬臂梁相接的两个电解池壁厚度需要进行调整。
5.根据权利要求4所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S2中氢原子在纯镍中的扩散系数为10-14m2/s，此时电解池壁A和电解池壁B的厚度为0.15mm。
6.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S3中被研究的目标晶界位于悬臂梁上，且需要设置在垂直于氢原子自发扩散的方向上。
7.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S3中电解充氢需要在电解池中装入酸或碱的电解液，为了提高充氢效率，在溶液中加入氢原子复合毒化剂。
8.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S4中对样品进行电解充氢，充氢时将铂丝插入电解液，并接通直流电源的正极，选定充氢电流密度为10mA/cm2，根据电解池内壁面积计算充氢电流，并在直流电源上进行设置。
9.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S5中被研究的目标晶界需要进行预先处理：选择粒度由大到小的砂纸将表面进行打磨，直至3000目，然后将此表面进行机械抛光和电解抛光。
10.根据权利要求2所述的利用SKPFM监测氢原子横跨晶界扩散装置的测试方法，其特征在于，S5中SKFPM测试在室温下进行，采用tapping模式和lift技术进行电势的测量，所用探针为双面镀铂的硅探针。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310985511.2A CN117147382A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310985511.2A CN117147382A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117147382A true CN117147382A (zh) | 2023-12-01 |
Family
ID=88883228
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310985511.2A Pending CN117147382A (zh) | 2023-08-07 | 2023-08-07 | 一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117147382A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117723446A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 北京科技大学 | 基于扩散多元节及skpfm测量氢扩散系数的方法 |
-
2023
- 2023-08-07 CN CN202310985511.2A patent/CN117147382A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117723446A (zh) * | 2024-02-07 | 2024-03-19 | 北京科技大学 | 基于扩散多元节及skpfm测量氢扩散系数的方法 |
| CN117723446B (zh) * | 2024-02-07 | 2024-05-07 | 北京科技大学 | 基于扩散多元节及skpfm测量氢扩散系数的方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gamburg et al. | Theory and practice of metal electrodeposition | |
| Meng et al. | Effect of microstructures on corrosion behavior of nickel coatings:(II) competitive effect of grain size and twins density on corrosion behavior | |
| Moayed et al. | Dependence of the critical pitting temperature on surface roughness | |
| Lee et al. | Investigation of PVD coating on corrosion resistance of metallic bipolar plates in PEM fuel cell | |
| Moffat et al. | Electrodeposition of Cu on Ru barrier layers for damascene processing | |
| Cooper et al. | Hydrogen production from the electro-oxidation of ammonia catalyzed by platinum and rhodium on raney nickel substrate | |
| Tan et al. | Heterogeneous electrode processes and localized corrosion | |
| CN117147382A (zh) | 一种利用skpfm监测氢原子横跨晶界扩散装置及测试方法 | |
| Bojinov et al. | A mixed-conduction model for the oxidation of stainless steel in a high-temperature electrolyte: estimation of kinetic parameters of oxide layer growth and restructuring | |
| Ritzert et al. | Ultramicroelectrode studies of self-terminated nickel electrodeposition and nickel hydroxide formation upon water reduction | |
| Wang et al. | Magnetic field improving interfacial behavior of the two-electrode system | |
| Tan | Sensing electrode inhomogeneity and electrochemical heterogeneity using an electrochemically integrated multielectrode array | |
| Rafla et al. | Galvanic couple behavior between AA7050-T7451 and stainless steel in a fastener arrangement assessed with coupled multi-electrode arrays under atmospheric exposure conditions | |
| Ilyukhina et al. | Electronic structure and growth of electrochemically formed iridium oxide films | |
| CN110530690A (zh) | 一种金属及合金试样的电化学阴极充氢方法 | |
| Whitton et al. | An electrochemical technique for removing thin uniform layers of gold | |
| Cobourn et al. | The effect of copper contamination at the cathode of Cu-Cl/HCl electrolyzers | |
| Jin et al. | Continuous monitoring of steel corrosion condition in concrete under drying/wetting exposure to chloride solution by embedded MnO2 sensor | |
| Amokrane et al. | Investigation of hydrogen adsorption–absorption on iron by EIS | |
| Lawson et al. | Use of a coulometric assay technique to study the variables affecting deuterium loading levels within palladium electrodes | |
| Xu et al. | Effect of bipolar electrochemical process on tunnel etching characteristics of aluminum foil | |
| Bennett et al. | Investigating the nucleation and growth of electrodeposited Pt on polycrystalline diamond electrodes | |
| Arise et al. | Ionic mass transfer accompanying anodic dissolution of zinc in alkaline solution | |
| Perov et al. | Effect of magnetic field on the electrode potential of metals | |
| CN108279188B (zh) | 一种用于拉伸载荷下测量电化学氢渗透曲线装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |