[ 信息發(fā)布:本站 | 發(fā)布時(shí)間:2023-10-19 | 瀏覽:1057次 ]

鈦及鈦合金表面納米化之陽(yáng)極氧化

除氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂之外，鈦在地球蘊(yùn)藏量占到第九位，其儲(chǔ)藏量約為0.44%~0.57%，屬于蘊(yùn)藏量較多的元素 。鈦在純凈狀態(tài)下其顏色呈銀白色，同時(shí)具有金屬光澤，熔點(diǎn)極高，是一種較為難溶的金屬。鈦有兩種同素異構(gòu)體分別是α-Ti和β-Ti，α-Ti為密排六方結(jié)構(gòu)，只有在882℃以下才能保持穩(wěn)定，當(dāng)超過(guò)882℃，α-Ti將轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Ti，β-Ti為體心立方結(jié)構(gòu)，它能在882℃~1678℃間保持穩(wěn)定。

鈦從發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直受到人們的廣泛關(guān)注，科學(xué)家對(duì)它的研究探索從未止步，現(xiàn)在我們對(duì)鈦的性質(zhì)有了較為深入的了解，鈦和鈦合金有許多優(yōu)點(diǎn)，比如密度高、比強(qiáng)度高、耐蝕耐高溫、機(jī)械力學(xué)性能好、質(zhì)量輕等，它們憑借這些優(yōu)異的性能發(fā)展迅猛，在各行各業(yè)中都得到了廣泛應(yīng)用，例如化工、航空航天、醫(yī)用材料、電子行業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域，相比于其它金屬，鈦還具有優(yōu)異的生物相容性，與人體股骨頭的彈性模量極為接近，因此將鈦用于制備生物材料對(duì)人類某些疾病的治療有著極大幫助。

鈦和鈦合金雖然具有其他金屬無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步及科學(xué)的發(fā)展，它們自身所具備的性能已經(jīng)無(wú)法滿足人類生產(chǎn)生活需要，如何對(duì)其改性來(lái)沖破其使用的局限性成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題，與傳統(tǒng)材料相比，納米材料具有更加優(yōu)越的性能，由此人們想到在鈦及鈦合金上應(yīng)用納米技術(shù)，使它的應(yīng)用更加廣泛?，F(xiàn)如今直接制備納米體材料的成本高、產(chǎn)出小，對(duì)設(shè)備、材料的標(biāo)準(zhǔn)要求苛刻，而表面納米化技術(shù)相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)設(shè)備等硬件條件要求低，成本小，操作技術(shù)簡(jiǎn)單、成熟，在一定程度上可以滿足生產(chǎn)所需，所以直接對(duì)鈦和鈦合金進(jìn)行表面納米化，來(lái)提高或改善其性能，提升其應(yīng)用價(jià)值。

對(duì)鈦及鈦合金表面改性的方法有很多，比如溶膠-凝膠法、水熱法、模板法、陽(yáng)極氧化法及電化學(xué)沉積法等。在這些眾多的方法中，在鈦及鈦合金上進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理是一種簡(jiǎn)單有效的表面處理的方法，與其他方法相比，該方法操作簡(jiǎn)單，成本低廉，那么在這里對(duì)這種表面處理的方法做一個(gè)簡(jiǎn)要敘述。

陽(yáng)極氧化是一種在金屬或合金上產(chǎn)生一層氧化膜的電化學(xué)方法，提前配置好鍍液后將試件置于其中，通過(guò)設(shè)定電壓或是電流試件表面發(fā)生陽(yáng)極氧化從而產(chǎn)生氧化膜，而對(duì)鈦及其合金這一類金屬來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電解液濃度、電壓電流的大小、反應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短，得到一組長(zhǎng)短、管徑可控的在TiO 2納米管，從而實(shí)現(xiàn)試件表面納米化，這些管從試件基地表面生長(zhǎng)，與基地結(jié)合緊密，采用陽(yáng)極氧化在鈦及鈦合金表面制備出TiO 2納米管的實(shí)驗(yàn)原理，總結(jié)一下主要有兩個(gè)重要的反應(yīng)：

Ti+2H 2O＝TiO 2+4H ++4e（該過(guò)程其實(shí)包括2H 2O→O 2+4e+4H +Ti+O 2→TiO 2）

TiO 2+6F -+4H +＝[TiF 6] 2-+2H 2O

通過(guò)觀察反應(yīng)式可知，主要包括兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程：一個(gè)是TiO 2的形成過(guò)程，另一個(gè)是TiO 2的溶解過(guò)程。TiO 2的形成是在電化學(xué)的環(huán)境下進(jìn)行的，而TiO 2溶解的過(guò)程卻是化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)這兩個(gè)反應(yīng)循環(huán)往復(fù)最終產(chǎn)生了納米管。陽(yáng)極氧化反應(yīng)的過(guò)程中電流也起了關(guān)鍵的作用，如果根據(jù)電流和時(shí)間來(lái)劃分也可以將TiO 2納米管產(chǎn)生分為三個(gè)階段，如圖1的陽(yáng)極氧化過(guò)程中電流密度-時(shí)間曲線。

第一階段，TiO氧化層形成，反應(yīng)剛起步，電阻小而產(chǎn)生了極大的電流，Ti表面生成了TiO 薄膜，我們把這層薄膜稱之為阻擋層；第二階段，由第一階段生成的TiO薄膜阻擋層開(kāi)始溶解，當(dāng)阻擋層生成一定厚度時(shí)，電路里的電流也慢慢恢復(fù)平穩(wěn)，這時(shí)TiO薄膜局部溶解而產(chǎn)生許多小孔；第三階段，形成TiO納米管，由第二階段形成的微孔造成了試件表面電勢(shì)高低不平，電場(chǎng)多聚集在孔的低凹處，使得這一區(qū)域的氧化加速，而由氧化反應(yīng)產(chǎn)生的Ti 4隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行運(yùn)動(dòng)了氧化層，造成氧化層溶解，而納米孔頂部的氧化層溶解速度慢，孔底部由電勢(shì)造成的氧化層溶解速度快，所以原先生成的小微孔不斷溶解延伸而逐漸產(chǎn)生納米管，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，孔底端與孔頂部的溶解反應(yīng)速度逐漸一致，納米管的長(zhǎng)度保持不變。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展不斷前進(jìn)，社會(huì)文明程度不斷提升，隨著科技的進(jìn)步，鈦及鈦合金應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)展，人們對(duì)材料性能的要求進(jìn)一步提高，鈦及鈦合金會(huì)向著抗高溫，更高的強(qiáng)度，更優(yōu)異塑性，更優(yōu)質(zhì)的耐磨性方向邁進(jìn)，而具有綜合性能的鈦合金也一定會(huì)產(chǎn)生，鈦合金表面處理技術(shù)會(huì)向著更加先進(jìn)的方向發(fā)展，經(jīng)過(guò)表面納米化處理的鈦合金其表面抗摩擦性能，耐酸耐腐蝕性能也會(huì)進(jìn)一步提高，在新時(shí)代下鈦及鈦合金一定會(huì)取得更大的發(fā)展。