鈦及鈦合金表面納米化之陽極氧化

摘 要：綜述了鈦及鈦合金的性質、現階段的發展狀況、應用領域，為了沖破其使用的局限性，可對鈦及鈦合金進行表面納米化，對其表面改性的方法多種多樣，而陽極氧化最為實用，并對陽極氧化的原理機制進行了闡述，同時對鈦及鈦合金發展的未來進行了展望。

關鍵詞：鈦及鈦合金的性質；發展狀況；應用領域

除氧、硅、鋁、鐵、鈣、鈉、鉀、鎂之外，鈦在地球蘊藏量占到第九位，其儲藏量約為0.44%～0.57%，屬于蘊藏量較多的元素[1]。鈦在純凈狀態下其顏色呈銀白色，同時具有金屬光澤，熔點極高，是一種較為難溶的金屬。鈦有兩種同素異構體分別是α-Ti和β-Ti，α-Ti為密排六方結構，只有在882℃以下才能保持穩定，當超過882℃，α-Ti將轉變為β-Ti，β-Ti為體心立方結構，它能在882℃～1678℃間保持穩定。

鈦從發現以來，一直受到人們的廣泛關注，科學家對它的研究探索從未止步，現在我們對鈦的性質有了較為深入的了解，鈦和鈦合金有許多優點，比如密度高、比強度高、耐蝕耐高溫、機械力學性能好、質量輕等，它們憑借這些優異的性能發展迅猛，在各行各業中都得到了廣泛應用，例如化工、航空航天、醫用材料、電子行業等各個領域，相比于其它金屬，鈦還具有優異的生物相容性，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人類某些疾病的治療有著極大幫助[2]。

鈦和鈦合金雖然具有其他金屬無法比擬的優點，但是隨著社會的進步及科學的發展，它們自身所具備的性能已經無法滿足人類生產生活需要，如何對其改性來沖破其使用的局限性成為一個亟待解決的問題，與傳統材料相比，納米材料具有更加優越的性能，由此人們想到在鈦及鈦合金上應用納米技術，使它的應用更加廣泛?，F如今直接制備納米體材料的成本高、產出小，對設備、材料的標準要求苛刻，而表面納米化技術相對來說對設備等硬件條件要求低，成本小，操作技術簡單、成熟，在一定程度上可以滿足生產所需，所以直接對鈦和鈦合金進行表面納米化，來提高或改善其性能，提升其應用價值。

對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、陽極氧化法及電化學沉積法等[3]。在這些眾多的方法中，在鈦及鈦合金上進行陽極氧化處理是一種簡單有效的表面處理的方法，與其他方法相比，該方法操作簡單，成本低廉，那么在這里對這種表面處理的方法做一個簡要敘述。

陽極氧化是一種在金屬或合金上產生一層氧化膜的電化學方法，提前配置好鍍液后將試件置于其中，通過設定電壓或是電流試件表面發生陽極氧化從而產生氧化膜，而對鈦及其合金這一類金屬來說，可以通過調節電解液濃度、電壓電流的大小、反應時間的長短，得到一組長短、管徑可控的在TiO2納米管，從而實現試件表面納米化，這些管從試件基地表面生長，與基地結合緊密，采用陽極氧化在鈦及鈦合金表面制備出TiO2納米管的實驗原理，總結一下主要有兩個重要的反應：

Ti+2H2O=TiO2+4H++4e（該過程其實包括2H2O→O2+4e+4H+ Ti+O2→TiO2）

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

通過觀察反應式可知，主要包括兩個反應過程：一個是TiO2的形成過程，另一個是TiO2的溶解過程。TiO2的形成是在電化學的環境下進行的，而TiO2溶解的過程卻是化學反應，通過這兩個反應循環往復最終產生了納米管。陽極氧化反應的過程中電流也起了關鍵的作用，如果根據電流和時間來劃分也可以將TiO2納米管產生分為三個階段，如圖1的陽極氧化過程中電流密度-時間曲線。

第一階段，TiO2氧化層形成，反應剛起步，電阻小而產生了極大的電流，Ti表面生成了TiO2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TiO2薄膜阻擋層開始溶解，當阻擋層生成一定厚度時，電路里的電流也慢慢恢復平穩，這時TiO2薄膜局部溶解而產生許多小孔；第三階段，形成TiO2納米管，由第二階段形成的微孔造成了試件表面電勢高低不平，電場多聚集在孔的低凹處，使得這一區域的氧化加速，而由氧化反應產生的Ti4+隨著反應的不斷進行運動了氧化層，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生納米管，隨著反應時間的增加，孔底端與孔頂部的溶解反應速度逐漸一致，納米管的長度保持不變[4]。

科學技術的發展不斷前進，社會文明程度不斷提升，隨著科技的進步，鈦及鈦合金應用領域日益擴展，人們對材料性能的要求進一步提高，鈦及鈦合金會向著抗高溫，更高的強度，更優異塑性，更優質的耐磨性方向邁進，而具有綜合性能的鈦合金也一定會產生，鈦合金表面處理技術會向著更加先進的方向發展，經過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進一步提高，在新時代下鈦及鈦合金一定會取得更大的發展。

參考文獻

[1]趙樹萍，呂雙坤，郝文杰.鈦合金及其表面處理[M].哈爾濱工業大學出版社，2003.

[2]何寶明，王玉林，等.生物醫用鈦及其鈦合金材料的開發應用進展、市場狀況及問題分析[J].鈦工業進展，2003，20（4-5）：82-87.

[3]邱詩龍.Ti6Al4V和工業純鈦表面納米化與性能研究[D].大連：大連交通大學，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.

作者簡介：羅錦潔（1986-），女，漢族，四川儀隴人，碩士，助教，主要研究方向：材料表面改性。