铝基板晶向对AlO(OH)薄膜形成行为的影响机制及其在表面处理中的应用

针对铝材在潮湿环境中耐蚀性不足的问题，日本东京芝浦工业大学的研究团队创新性地采用蒸汽涂层技术，系统研究了(100)、(110)、(111)晶向单晶铝基板对AlO(OH)薄膜生长的影响。研究发现基板晶向通过改变表面原子配位数显著调控致密层厚度，而晶体层形貌不受影响，揭示了界面反应主导的生长机制，为开发晶向定制化表面处理技术提供理论支撑。

　　

在全球气候变暖与资源短缺的背景下，轻量化材料应用成为交通装备领域的关键策略。铝及其合金因比重仅为钢的1/3而备受青睐，但其表面自然氧化膜在潮湿环境中易水化失效，严重制约结构应用。传统阳极氧化与化学转化处理虽能提升耐蚀性，却面临高污染、高成本的环保困境。为此，仅以水为介质的蒸汽涂层技术（steam coating）因其环境友好特性成为研究热点，但基板微观结构对AlO(OH)薄膜生长的影响机制尚属空白。

日本东京芝浦工业大学（Shibaura Institute of Technology）材料科学与工程系的Ai SERIZAWA团队通过精妙设计的单晶基板实验，首次揭示了晶向依赖性生长规律。研究人员选用[100]、[110]、[111]晶向的99.99%纯铝单晶基板，在200°C饱和水蒸气环境中进行3.6-21.6 ks处理，结合X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）和场发射扫描电镜（FE-SEM）等多维表征技术，解析薄膜生长动力学。

关键技术方法包括：1）通过冷轧-退火制备再结晶多晶试样；2）采用高压反应釜实现亚临界水（subcritical water）环境下的蒸汽涂层；3）利用电子探针显微分析（EDS）进行元素分布映射；4）基于台阶-平台（step-terrace）结构模型计算表面原子配位数。

研究结果呈现三大发现：

1. 时间依赖性生长：致密层厚度与处理时间呈线性关系（7.2 ks后增速达晶体层3倍），表明生长受界面反应而非扩散控制。

2. 晶向特异性响应：致密层厚度排序为(110)>(100)>(111)，对应表面原子平均配位数8<7.5<7，而晶体层形貌与厚度无显著差异。多晶试样中，偏离[111]方向35°时膜厚达峰值。

3. 晶界侵蚀现象：薄膜沿晶界向内生长产生应力裂纹，但孪晶界表现出独特抗侵蚀性。

讨论部分指出，亚临界水的高反应活性促使Al³⁺与OH^-通过界面反应（2Al³⁺ + 4OH^- → 2AlO(OH) + 2H⁺）形成双层结构。致密层生长受表面台阶密度调控——低指数晶面（如(111)）因高原子密堆积稳定性抑制铝原子解离，而高指数晶面通过台阶-平台结构（如n(111)×(100)）提供更多活性位点。区别于传统抛物线增长的氧化膜，线性动力学暗示OH^-可能通过晶界短路扩散或亚临界水渗透裂纹快速传输。

该研究发表于《Surfaces and Interfaces》，其重要意义在于：1）首次建立铝基板晶向-薄膜生长速率的定量关系，为轧制织构铝材的定制化表面处理提供理论依据；2）揭示界面反应主导的生长机制，突破扩散控制传统认知；3）提出通过基板晶向工程可制备厚膜（高耐蚀）或薄膜（低公差）的颠覆性技术路径，推动绿色表面处理发展。