不同材料腐蚀30天的实验结果比较

4.5.3.1　120℃时镓对4种金属材质的腐蚀趋势

高温下，随着腐蚀的持续进行，弱耐蚀材料表面的镓球会逐渐没入基底材料。图4-6为4种金属基底材料在120℃与液态镓球静态接触的腐蚀率曲线［1］。

图4-6　120℃镓对4种金属基底材料的腐蚀率曲线

图4-6中纵坐标腐蚀率η（t）定义为：

其中，S（t）定义为摄像头在t时刻拍摄的液态镓球面积，S0为腐蚀前初始镓球面积，并假设体积与面积之间具有3∶2的尺度关系，实际计算中镓球面积以采集图像中该区域的像素数表示。从图4-6中可以看出，液态镓对6063铝合金具有强烈的腐蚀作用，从150 min开始，腐蚀剧烈进行，在近30 min内腐蚀率从0.2上升至1.0，说明在该斜率最大的区域内有近80%的镓球腐蚀渗入铝基底中，并最终完全没入铝基底。相对铝材质的剧烈腐蚀，T2铜、阳极氧化着色处理6063铝合金以及1Cr18Ni9不锈钢从采集图像上观察，在近5 h内没有明显腐蚀迹象，图4-6中3种材质的曲线波动是由于摄像头分辨率有限所至，如果采用分辨率更高的摄像头，将会得到更为精确、接近水平的曲线。

图4-7为120℃镓对6063铝合金静态／动态腐蚀情况对比［1］：（a）未对镓球施加扰动；（b）对镓球施加小扰动。可明显看出，未施加扰动的腐蚀铝板呈现出近似圆形的腐蚀阴影，且随时间向四周扩散。而对镓球施加小扰动后的铝板，液态镓会从旁侧的腐蚀区域鼓起，说明液态镓对铝的渗入作用非常强烈，流动的液态镓会对基底材料产生强烈的冲刷作用。因此，在液态金属散热设备中，由于静态腐蚀和动态腐蚀的综合作用，单纯的6063铝合金不能用作镓容器的结构材料。而对于T2铜、阳极氧化着色处理6063铝合金以及1Cr18Ni9不锈钢，没有类似现象。因此，这3种材料可定义为耐蚀材料，但仍需对其进行长期腐蚀实验，以计算其真实腐蚀速率，并确认其是否可成为液态金属芯片散热系统的理想结构材料。

图4-7　镓对铝腐蚀状态

（a）未对镓球施加扰动；（b）对镓球施加小扰动。

4.5.3.2　基底材料SEM／EDX实验及分析

1.腐蚀表面SEM分析

基底材料腐蚀表面扫描电镜观察可以获得对腐蚀形貌的直观认识。下列实验中［1］，4种基底材料分别经过如下处理：6063铝合金经5 h腐蚀（120℃）、T2铜、阳极氧化着色处理6063铝合金以及1Cr18Ni9不锈钢控制在60±0.5℃条件下连续腐蚀30天。图4-8展示了6063铝合金和T2铜的腐蚀前后表面形貌对比。

图4-8　基底材料未腐蚀／腐蚀表面形貌对比

（a）6063铝合金；（b）T2铜。

从图4-8（a）中可以看出，镓对6063铝合金腐蚀严重，置镓区出现较大的腐蚀孔洞。未与镓直接接触的区域为腐蚀扩散区，其相对原来未腐蚀表面更加平整，没有未腐蚀表面的一些突起。这说明镓与6063铝合金形成的腐蚀产物较疏松，一方面促进镓在腐蚀产物中扩散形成腐蚀扩散区，另一方面疏松的腐蚀产物强度低，在清洗过程中表面容易被棉签打磨得更加平整。

从图4-8（b）中可以看出，T2铜表面腐蚀区域明显，未腐蚀区因打磨而产生的线状纹理在腐蚀区不再存在，腐蚀区呈现出高低不平的粗糙表面，且没有明显的裂纹或缺陷。这说明镓首先对T2铜的表面凸起发生优先腐蚀，随后为均匀腐蚀过程。对于阳极氧化着色处理6063铝合金以及1Cr18Ni9不锈钢，清洗干燥后电镜观察未发现明显腐蚀迹象（图略）。

2.腐蚀表面EDX分析

图4-9为6063铝合金表面能谱分析结果［1］，（a）区靠近置镓腐蚀坑，且采集点由腐蚀坑由近及远布置。（b）区远离置镓腐蚀坑，且采集点明暗程度不同。

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图4-9　6063铝合金表面能谱分析

（a）靠近置镓腐蚀坑采集点；（b）远离置镓腐蚀坑不同明暗程度采集点。

从图4-9（a）可以看出，靠近置镓腐蚀坑的4个采集点镓原子摩尔浓度差距不大，分布在20%～35%之间，没有呈现随离腐蚀坑距离增加而降低的趋势。图4-9（b）远离镓腐蚀坑，腐蚀区放大1 500倍。明暗不同区域能谱结果对比表明明亮区域（点E）存在镓富集现象。对比图4-9（a）和（b）可知，靠近镓腐蚀坑（A、B、C、D点平均）与远离腐蚀坑区域（E、F点平均）的镓原子浓度差距较小。由此说明，镓在6063铝合金中渗透能力很强，大范围内腐蚀扩散区中镓的分布比较均匀，没有呈现随离腐蚀坑距离增加而镓含量降低的现象，但小范围内会存在镓分布不均的情况。

表4-1为6063铝合金未腐蚀／腐蚀扩散区域主要元素摩尔浓度对比。可以看出，腐蚀扩散区表面镓含量大量增加，铝含量大量减少，说明镓对6063铝合金发生剧烈的扩散及腐蚀反应，两者亲和性极好。同时，腐蚀区的氧含量有较大幅度增加，这可能是由于腐蚀产物疏松，氧气容易渗入，与铝、镓在较高温度下反应的结果。

表4-1　6063铝合金未腐蚀／腐蚀扩散区域主要元素摩尔浓度对比

图4-10为T2铜表面能谱分析结果［1］，其中（a）为腐蚀表面，（b）为未腐蚀表面。从图4-10可以看出，腐蚀表面存在镓覆盖区（A区域）和腐蚀产物区（B区域）。能谱分析显示，图4-10（a）中腐蚀产物区B镓元素摩尔浓度为37.23%，而镓覆盖区A镓元素摩尔浓度接近100%，说明液态镓与生成的腐蚀层具有较好的亲和性，部分液态镓可以紧密结合在腐蚀层上。图4-10（a）（b）图片对比可知，相对未腐蚀的T2铜，腐蚀产物B区中镓含量大量增加，铜含量大量减少，说明镓对T2铜合金发生明显的金属间扩散或腐蚀反应。同时，腐蚀区的氧含量有较大增加，这可能是腐蚀后暴露在外的铜及镓被氧化的结果。

图4-10　T2铜表面能谱分析

（a）腐蚀表面；（b）未腐蚀表面。

图4-11　基底材料腐蚀表面能谱分析

（a）阳极氧化着色处理6063铝合金；（b）1Cr18Ni9不锈钢。

图4-11为阳极氧化着色处理6063铝合金以及1Cr18Ni9不锈钢的腐蚀表面能谱分析结果［1］。从中可以看出，阳极氧化着色处理6063铝合金与1Cr18Ni9不锈钢的腐蚀表面完全没有检测到镓元素的存在。说明尽管在腐蚀结束后，将镓从两种材料上取下时存在少量粘连现象，但经洗涤液除油、清水清洗、干燥后，粘连的镓会从基底脱落，因此在腐蚀表面检测不到镓元素的存在。

3.腐蚀截面EDX分析

图4-12　T2铜腐蚀截面能谱分析

图4-12为T2铜腐蚀截面能谱分析［1］，系腐蚀区断面中镓渗入最深的区域，由能谱分析得，靠近表面的腐蚀区镓元素摩尔浓度为65%～70%，而腐蚀区以外则检测不到镓元素存在，因此镓仅渗入一薄层到T2铜中。考虑腐蚀表面波动情况，镓对T2铜合金渗入腐蚀速率可估算为30～60μm／月。根据材料的耐蚀性等级划分［19］，其耐蚀性处于6～7级之间，属于尚耐蚀等级。此外，图4-12中可以在腐蚀区域发现由于腐蚀产物脱落而造成的凹坑。这意味着在实际的散热系统中，流动的液态金属不仅能加快腐蚀，同时可能将松动的腐蚀产物冲刷带走，由此引起更严峻的材料安全性问题。因此，T2铜能否作为液态金属散热系统的结构材料，必须通过真实的动态实验测试才能获得最终定论。

图4-13　基底材料腐蚀截面能谱

（a）阳极氧化着色处理的6063铝合金；（b）1Cr18Ni9不锈钢。

图4-13为阳极氧化着色处理6063铝合金与1Cr18Ni9不锈钢的腐蚀截面能谱图，从中可以看出，阳极氧化着色处理6063铝合金与1Cr18Ni9不锈钢的腐蚀区域截面没有探测出镓元素，说明无液态镓渗入基底，与前面腐蚀表面能谱分析结果一致。