钛及钛合金表面纳米化之阳极氧化

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摘 要：综述了钛及钛合金的性质、现阶段的发展状况、应用领域，为了冲破其使用的局限性，可对钛及钛合金进行表面纳米化，对其表面改性的方法多种多样，而阳极氧化最为实用，并对阳极氧化的原理机制进行了阐述，同时对钛及钛合金发展的未来进行了展望。

关键词：钛及钛合金的性质；发展状况；应用领域

除氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁之外，钛在地球蕴藏量占到第九位，其储藏量约为0.44%～0.57%，属于蕴藏量较多的元素[1]。钛在纯净状态下其颜色呈银白色，同时具有金属光泽，熔点极高，是一种较为难溶的金属。钛有两种同素异构体分别是α-Ti和β-Ti，α-Ti为密排六方结构，只有在882℃以下才能保持稳定，当超过882℃，α-Ti将转变为β-Ti，β-Ti为体心立方结构，它能在882℃～1678℃间保持稳定。

钛从发现以来，一直受到人们的广泛关注，科学家对它的研究探索从未止步，现在我们对钛的性质有了较为深入的了解，钛和钛合金有许多优点，比如密度高、比强度高、耐蚀耐高温、机械力学性能好、质量轻等，它们凭借这些优异的性能发展迅猛，在各行各业中都得到了广泛应用，例如化工、航空航天、医用材料、电子行业等各个领域，相比于其它金属，钛还具有优异的生物相容性，与人体股骨头的弹性模量极为接近，因此将钛用于制备生物材料对人类某些疾病的治疗有着极大帮助[2]。

钛和钛合金虽然具有其他金属无法比拟的优点，但是随着社会的进步及科学的发展，它们自身所具备的性能已经无法满足人类生产生活需要，如何对其改性来冲破其使用的局限性成为一个亟待解决的问题，与传统材料相比，纳米材料具有更加优越的性能，由此人们想到在钛及钛合金上应用纳米技术，使它的应用更加广泛。现如今直接制备纳米体材料的成本高、产出小，对设备、材料的标准要求苛刻，而表面纳米化技术相对来说对设备等硬件条件要求低，成本小，操作技术简单、成熟，在一定程度上可以满足生产所需，所以直接对钛和钛合金进行表面纳米化，来提高或改善其性能，提升其应用价值。

对钛及钛合金表面改性的方法有很多，比如溶胶-凝胶法、水热法、模板法、阳极氧化法及电化学沉积法等[3]。在这些众多的方法中，在钛及钛合金上进行阳极氧化处理是一种简单有效的表面处理的方法，与其他方法相比，该方法操作简单，成本低廉，那么在这里对这种表面处理的方法做一个简要叙述。

阳极氧化是一种在金属或合金上产生一层氧化膜的电化学方法，提前配置好镀液后将试件置于其中，通过设定电压或是电流试件表面发生阳极氧化从而产生氧化膜，而对钛及其合金这一类金属来说，可以通过调节电解液浓度、电压电流的大小、反应时间的长短，得到一组长短、管径可控的在TiO2纳米管，从而实现试件表面纳米化，这些管从试件基地表面生长，与基地结合紧密，采用阳极氧化在钛及钛合金表面制备出TiO2纳米管的实验原理，总结一下主要有两个重要的反应：

Ti+2H2O=TiO2+4H++4e（该过程其实包括2H2OO2+4e+4H+ Ti+O2TiO2）

TiO2+6F-+4H+=[TiF6]2-+2H2O

通过观察反应式可知，主要包括两个反应过程：一个是TiO2的形成过程，另一个是TiO2的溶解过程。TiO2的形成是在电化学的环境下进行的，而TiO2溶解的过程却是化学反应，通过这两个反应循环往复最终产生了纳米管。阳极氧化反应的过程中电流也起了关键的作用，如果根据电流和时间来划分也可以将TiO2纳米管产生分为三个阶段，如图1的阳极氧化过程中电流密度-时间曲线。

第一阶段，TiO2氧化层形成，反应刚起步，电阻小而产生了极大的电流，Ti表面生成了TiO2薄膜，我们把这层薄膜称之为阻挡层；第二阶段，由第一阶段生成的TiO2薄膜阻挡层开始溶解，当阻挡层生成一定厚度时，电路里的电流也慢慢恢复平稳，这时TiO2薄膜局部溶解而产生许多小孔；第三阶段，形成TiO2纳米管，由第二阶段形成的微孔造成了试件表面电势高低不平，电场多聚集在孔的低凹处，使得这一区域的氧化加速，而由氧化反应产生的Ti4+随着反应的不断进行运动了氧化层，造成氧化层溶解，而纳米孔顶部的氧化层溶解速度慢，孔底部由电势造成的氧化层溶解速度快，所以原先生成的小微孔不断溶解延伸而逐渐产生纳米管，随着反应时间的增加，孔底端与孔顶部的溶解反应速度逐渐一致，纳米管的长度保持不变[4]。

科学技术的发展不断前进，社会文明程度不断提升，随着科技的进步，钛及钛合金应用领域日益扩展，人们对材料性能的要求进一步提高，钛及钛合金会向着抗高温，更高的强度，更优异塑性，更优质的耐磨性方向迈进，而具有综合性能的钛合金也一定会产生，钛合金表面处理技术会向着更加先进的方向发展，经过表面纳米化处理的钛合金其表面抗摩擦性能，耐酸耐腐蚀性能也会进一步提高，在新时代下钛及钛合金一定会取得更大的发展。

参考文献

[1]赵树萍，吕双坤，郝文杰.钛合金及其表面处理[M].哈尔滨工业大学出版社，2003.

[2]何宝明，王玉林，等.生物医用钛及其钛合金材料的开发应用进展、市场状况及问题分析[J].钛工业进展，2003，20（4-5）：82-87.

[3]邱诗龙.Ti6Al4V和工业纯钛表面纳米化与性能研究[D].大连：大连交通大学，2005.

[4]Cai Q Y，Yang L X，et al.Investigations on the Self-organized Growth of TiO2 Nanotube Arrays by Anodic Oxidization[J].Thin Solid Films，2006，515：1802-1806.

作者简介：罗锦洁（1986-），女，汉族，四川仪陇人，硕士，助教，主要研究方向：材料表面改性。