Tình trạng thụ động

Tình trạng thụ động (Passivation) trong hóa học và kỹ thuật đề cập đến hiện tượng vật liệu trở nên 'thụ động', nghĩa là giảm thiểu sự ảnh hưởng hoặc ăn mòn từ môi trường. Quá trình này liên quan đến việc hình thành một lớp bảo vệ bên ngoài, có thể là lớp phủ vi mô hoặc lớp oxy hóa tự nhiên từ phản ứng với môi trường.

Thụ động hóa là một kỹ thuật sử dụng lớp phủ mỏng của vật liệu bảo vệ, như oxit kim loại, để tạo lớp vỏ chống ăn mòn. Thụ động hóa chỉ xảy ra trong điều kiện cụ thể và thường được áp dụng trong vi điện tử để bảo vệ silic. Kỹ thuật này giúp bảo tồn bề mặt kim loại, nhưng có thể làm giảm hiệu quả xử lý điện hóa nước bằng cách tăng điện trở mạch; biện pháp khắc phục thường là đảo ngược cực, loại bỏ lớp vỏ thụ động. Các hệ thống khác để ngăn chặn thụ động đang được nghiên cứu và phát triển.

Nhiều kim loại tự nhiên hình thành lớp bảo vệ cứng khi tiếp xúc với không khí, như sự xỉn màu của bạc. Đối với một số kim loại như sắt, lớp bảo vệ này có thể là lớp xốp thô. Lớp ăn mòn làm giảm tốc độ ăn mòn, tùy thuộc vào loại kim loại và môi trường. Ví dụ, nhôm, crom, kẽm, titan và silicon có lớp ăn mòn chậm hơn ở nhiệt độ phòng. Lớp bảo vệ thường là oxit hoặc nitride, với độ dày khác nhau tùy theo kim loại và thời gian tiếp xúc.

Cơ chế hoạt động

Có sự quan tâm lớn trong việc nghiên cứu các cơ chế ảnh hưởng đến sự dày lên của lớp oxit theo thời gian. Những yếu tố chính bao gồm thể tích của lớp oxit so với kim loại gốc, cơ chế oxy khuếch tán qua lớp oxit đến kim loại, và tiềm năng hóa học của oxit. Ranh giới giữa các hạt trong lớp oxit tinh thể cung cấp con đường cho oxy tiếp cận kim loại chưa bị oxy hóa. Do đó, lớp oxit thủy tinh, không có ranh giới hạt, có thể làm chậm quá trình oxy hóa. Sơ đồ Pour Bạch ghi lại các điều kiện cần thiết cho sự thụ động, nhưng không đủ. Một số chất ức chế ăn mòn giúp tạo lớp thụ động trên kim loại, như cromat và molybdat, tạo ra màng không phản ứng và ít hòa tan.

Khám phá

Vào giữa thế kỷ 19, Christian Friedrich Schönbein phát hiện rằng khi sắt được đặt trong axit nitric loãng, nó sẽ hòa tan và tạo ra Nitrogenmonoxide (NO). Tuy nhiên, khi sắt được xử lý bằng axit nitric đậm đặc và sau đó chuyển lại axit nitric loãng, phản ứng sẽ giảm hoặc không xảy ra. Schönbein gọi trạng thái đầu tiên là điều kiện hoạt động và trạng thái thứ hai là điều kiện thụ động. Nếu sắt thụ động tiếp xúc với sắt hoạt động, nó sẽ trở lại trạng thái hoạt động. Năm 1920, Ralph S. Lillie đã đo lường hiệu ứng của việc sắt hoạt động tiếp xúc với sắt thụ động và quan sát thấy một 'làn sóng kích hoạt nhanh chóng' di chuyển trên toàn bộ chiều dài của sắt thụ động.

Vật liệu đặc trưng

Silic

Trong ngành vi điện tử, việc tạo ra một lớp oxit thụ động bám chắc là cực kỳ quan trọng để duy trì hiệu suất tối ưu của silicon.

Trong lĩnh vực quang điện, các lớp thụ động trên bề mặt như silicon nitride, silicon dioxide, hoặc titan dioxide có thể giảm thiểu hiện tượng tái hợp bề mặt, một yếu tố gây mất mát hiệu quả trong pin mặt trời.

Nhôm

Nhôm tinh khiết tự nhiên sẽ hình thành một lớp oxit mỏng khi tiếp xúc với oxy trong không khí qua quá trình oxy hóa, tạo thành một lớp bảo vệ chống lại sự ăn mòn và oxy hóa tiếp theo trong nhiều môi trường. Tuy nhiên, một số hợp kim nhôm không tạo ra lớp oxit hiệu quả và do đó không được bảo vệ tốt. Để cải thiện lớp oxit trên một số hợp kim, có thể sử dụng các phương pháp như rửa bằng dung dịch axit nitric và peroxide loãng, sau đó rửa bằng nước khử ion. Hỗn hợp này loại bỏ tạp chất và giúp hình thành lớp oxit bảo vệ.

Thông thường, có hai phương pháp chính để thụ động hóa hợp kim nhôm (không bao gồm mạ, sơn và các lớp phủ khác): sơn chuyển đổi cromat và anot hóa. Alclading, một kỹ thuật liên kết các lớp nhôm nguyên chất hoặc hợp kim với hợp kim nhôm cơ sở, không phải là thụ động của hợp kim cơ sở. Tuy nhiên, lớp nhôm phủ này được thiết kế để tự động hình thành lớp oxit và bảo vệ hợp kim cơ sở.

Lớp phủ chuyển đổi cromat tạo ra một lớp cromat trên bề mặt nhôm, có độ dày từ 0,000010100.004 inch (250 đến 1.000 nm). Những lớp phủ này có cấu trúc giống như gel ngậm nước và được sử dụng phổ biến không chỉ cho nhôm mà còn cho các kim loại khác như kẽm, cadmium, đồng, bạc, magnesi và hợp kim thiếc.

Anodizing là quy trình điện phân nhằm tạo ra lớp oxit dày hơn trên bề mặt kim loại. Lớp phủ này, bao gồm oxit nhôm ngậm nước, cung cấp khả năng chống ăn mòn và mài mòn vượt trội. Nó cũng có khả năng cách điện, điều mà những quy trình khác không thể đạt được.

Vật liệu sắt

Các vật liệu sắt, bao gồm thép, có thể được bảo vệ bằng cách thúc đẩy quá trình oxy hóa (rỉ sét) và chuyển đổi thành metalophosphate bằng axit photphoric, sau đó bảo vệ thêm bằng lớp phủ bề mặt. Do bề mặt không tráng dễ hòa tan trong nước, phương pháp ưa chuộng là tạo hợp chất mangan hoặc kẽm qua quá trình chuyển hóa parkerizing hoặc phosphate. Các lớp phủ chuyển đổi điện hóa cũ hơn, mặc dù ít hiệu quả hơn, bao gồm quá trình oxy hóa màu đen, trước đây được gọi là bluing hoặc browning. Thép thông thường cũng hình thành lớp thụ động trong môi trường kiềm, như trong thanh cốt thép bê tông.

Phụ kiện bên trái chưa được xử lý thụ động, trong khi phụ kiện bên phải đã được thụ động hóa. Dù thép không gỉ có khả năng chống ăn mòn, nó vẫn có thể bị rỉ sét. Một hiện tượng phổ biến là các đốm nhỏ trên bề mặt thép bắt đầu rỉ sét do sự tồn tại của các hạt lạ hoặc vật liệu nhúng (như phiến mài), khiến nước oxy hóa sắt tại các điểm đó, dù đã có hợp kim crom. Hiện tượng này gọi là rouging. Một số loại thép không gỉ chống rouging rất tốt, do đó, các bộ phận làm từ chúng có thể không cần thụ động hóa, tùy vào quyết định kỹ thuật.

Tất cả các thông số kỹ thuật và loại khác nhau đều trải qua các bước sau: Trước khi thụ động, đối tượng cần được làm sạch hoàn toàn các chất bẩn và thường phải qua kiểm tra xác nhận để đảm bảo bề mặt ‘sạch’. Sau đó, đối tượng được ngâm trong bể thụ động với tính axit đáp ứng yêu cầu về nhiệt độ và hóa học theo phương pháp và loại đã được chỉ định. (Nhiệt độ có thể từ môi trường xung quanh đến 60°C hoặc 140°F, và thời gian thụ động thường từ 20 đến 30 phút). Các bộ phận sau đó được trung hòa bằng dung dịch natri hydroxide, rửa sạch với nước và sấy khô. Bề mặt thụ động được kiểm tra bằng độ ẩm, nhiệt độ cao, chất chống rỉ (phun muối) hoặc kết hợp cả ba. Đối với thép không gỉ martensitic, các quy trình thụ động đặc biệt khó thực hiện vì sự không liên tục của kính hiển vi có thể hình thành trong quá trình thụ động với dung dịch axit nitric. Quy trình thụ động loại bỏ sắt ngoại sinh, tạo ra hoặc phục hồi lớp oxit thụ động ngăn chặn oxy hóa tiếp theo và làm sạch bụi bẩn, cặn hoặc các hợp chất hàn khác.

Các quy trình thụ động thường được điều chỉnh theo các tiêu chuẩn ngành, với ASTM A 967 và AMS 2700 là phổ biến nhất. Những tiêu chuẩn này liệt kê các quy trình thụ động khác nhau, với sự lựa chọn phương pháp cụ thể dành cho khách hàng và nhà cung cấp. Phương pháp thường dùng bao gồm bể thụ động với axit nitric hoặc axit citric, giúp loại bỏ sắt bề mặt và rỉ sét, đồng thời loại bỏ crôm. Các loại khác nhau liệt kê theo từng phương pháp phản ánh sự khác biệt về nhiệt độ và nồng độ dung dịch axit. Natri dicromat thường được dùng như chất phụ gia để oxy hóa crom trong một số loại bể axit nitric, nhưng hóa chất này rất độc. Với axit citric, chỉ cần rửa và làm khô bộ phận và cho phép không khí oxy hóa nó, hoặc trong một số trường hợp, sử dụng hóa chất khác để thực hiện thụ động bề mặt.

Một số nhà sản xuất hàng không vũ trụ thường có các quy định và hướng dẫn bổ sung về thụ động hóa sản phẩm của họ, vượt quá tiêu chuẩn quốc gia. Các yêu cầu này thường được xác nhận qua Nadcap hoặc các hệ thống công nhận khác. Để xác định tính thụ động của thép không gỉ, có nhiều phương pháp thử nghiệm khác nhau. Phương pháp phổ biến nhất là kết hợp độ ẩm cao và nhiệt độ trong một khoảng thời gian để gây rỉ sét. Các xét nghiệm điện hóa cũng có thể được sử dụng để xác minh tính thụ động.

Niken

Niken có thể được dùng để xử lý flo nguyên tố nhờ vào việc tạo ra lớp fluoride niken thụ động. Điều này rất hữu ích trong các ứng dụng xử lý nước và nước thải.

• Hàn lạnh
• Cấy ghép nha khoa
• Tỷ lệ Pilling sàn Bedworth