[科普中国]-华格纳氧化过程

华格纳氧化过程是指他在1933年建立的有关氧化膜抛物线生长动力学规律的理论。这个理论对厚膜(≥10nm)成立。由这一理论明确了正负离子通过已形成的氧化膜的扩散是金属氧化的速率控制步骤时,氧化动力学遵循抛物线规律,并确定了抛物线速率常数与参与反应的粒子的电导率、扩散系数、氧分压等参数之间的定量关系。华格纳理论也是合金内氧化及选择性氧化理论的基础。1

华格纳氧化过程的假定条件(1)氧化物层是致密、完整整的粘附锈层。

(2)离子和电子穿过锈层的迁移速率是控制过程。

(3)在金属——锈层和锈层——气体界面上建立起热力学平衡。

(4)氧化物锈层的成分与其分子式只有一个小偏差。

(5)在整个锈层中建立起局部的热力学平衡。

(6)锈层与发生电荷效应(双电层)的空间比较要厚。

(7)氧在金属中的溶解度是可以忽略的。2

华格纳氧化过程详解金属氧化过程中,在金属/氧化膜和氧化膜/气体两个界面的反应速度很快,因此可认为界面反应处于热力学平衡状态，由于两个界面上金属和氧的活度不同，因此存在金属和氧的化学位梯度。3

在化学位梯度作用下,金属离子和氧离子通过氧化膜向相反方向迁移。由于界面反应为快过程,两个界面上分别存在符号相反的净电荷。同时,迁移的离子是带电荷的,对相反符号的电子或电子空穴产生电场作用力。在此电场作用下,电子发生从M/MO界面向/MO界面迁移,电子空穴向相反方向迁移。氧化膜内存在的电场同时也作用到阳离子和阴离子上。因此,氧化过程中,氧化膜内传输的粒子都是在化学位梯度和电位梯度的作用下发生迁移的。由于离子和电子同时发生迁移,并且它们的迁移速度是相互达到平衡状态,因此氧化膜内没有净电荷迁移。3

华格纳氧化过程的特别在于除化学位差(浓度差)外,多增加了一项电位差作为粒子在氧化膜内迁移的驱动力。3

本词条内容贡献者为:

王宁 - 副教授 - 西南大学