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、實驗過程
1. 材料與拋(pao)光
①. 實(shi)驗(yan)材料為304不銹鋼
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. 著色液配制
①. 自然著色(se)液(ye)
用蒸餾水（含160)加H2SO4、CrO3配制而成。
②. 示蹤溶液(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(yang)品(pin)制作
①. 0#不銹鋼樣品
在自(zi)然著色(se)(se)液中著色(se)(se)，隨著著色(se)(se)時間的增長，不銹鋼表面(mian)氧(yang)化膜不斷(duan)增厚(hou)，逐漸呈現棕色(se)(se)→藍色(se)(se)→金(jin)黃色(se)(se)→紫紅色(se)(se)→綠色(se)(se)色(se)(se)序。
②. 1#不(bu)銹鋼樣品
在示(shi)蹤溶(rong)液中(zhong)著色，同樣可得到上述(shu)色序。
③. 2#樣(yang)品
浸入自(zi)然溶液(ye)中(zhong)著(zhu)色(se)至棕色(se)（膜厚約10000nm),取出立即浸入示(shi)蹤(zong)差(cha)角液(ye)中(zhong)繼(ji)續差(cha)負至分黃取山洗凈烘干。
④. 3#、4#樣(yang)品均先在自然(ran)溶液中(zhong)著色(se)至(zhi)棕(zong)色(se)，再分別在示蹤溶液中(zhong)著色(se)至(zhi)紫(zi)紅(hong)色(se)（約(yue)50000nm)和綠色(se)（約(yue)70000nm)。
⑤. 5#樣品不經過自(zi)然(ran)溶液著色(se)，直(zhi)接浸入(ru)示(shi)蹤(zong)溶液中著色(se)至藍色(se)取出(chu)。
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(fen)析(xi)金黃(huang)色著(zhu)色膜中(zhong)Fe、Cr、Ni元素的價態
二(er)、實驗結果及分析
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(fan)應過程為：
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. 著色膜(mo)（氧化(hua)膜(mo)）的(de)生長是由氧離(li)子(zi)和金屬離(li)子(zi)遷移、相遇所(suo)決定的(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(fan)應分(fen)析和180示蹤方法可以(yi)研究
金屬在電解液中(zhong)形成(cheng)氧化膜(mo)過程(cheng)中(zhong)氧和金屬離(li)子(zi)的遷移方(fang)向及成(cheng)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。
