不同電壓對TA1 板材氧化膜的厚度及著色的影響

2024-04-25 04:11:30傅鴻博李媛媛

五金科技 2024年2期

傅鴻博李媛媛

中國日用五金技術(shù)開發(fā)中心遼寧沈陽 110032

引言

金屬鈦以其高強度、低密度、良好的耐腐蝕性以及生物相容性等特點，使其在日用五金領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其在氧化時表面會生成成分為TiO2的氧化膜阻止其繼續(xù)氧化，在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時。這層氧化膜不僅能夠有效地防止鈦材進(jìn)一步被腐蝕，還有一些其他金屬氧化膜不具備的特點。日常生活中色彩絢麗的鈦容器就是利用了這一物理特性[1]。一些戶外愛好者還根據(jù)這一特點使用噴槍等工具對鈦工具進(jìn)行“烤藍(lán)”。但這一特性并不好控制，如鈦鍋在日常使用中鍋底會呈現(xiàn)混亂無序的顏色，影響美觀。氧化層的預(yù)先處理以及色彩的控制對工業(yè)生產(chǎn)有著重要意義。氧化膜的制備方法主要有溶膠凝膠法、氣相沉積法、水熱法和溶劑熱法，以及電化學(xué)陽極氧化法。本文主要研究五金工業(yè)生產(chǎn)中較為常見的電化學(xué)陽極氧化法。

1 試驗方法

1.1 試驗條件及試劑

根據(jù)相關(guān)研究[2]發(fā)現(xiàn)當(dāng)電解液為酸性介質(zhì)時金屬表面氧化物的成長速度要快于電解液為堿性的速度，因為在酸性電解液中會形成較高的電流密度，當(dāng)酸性介質(zhì)濃度過高時，成膜速度反而會降低；所以本實驗采用1.5(mol·L-1)的稀磷酸作為電解液。

增大電壓會提高氧化膜的形成效率。但會在樣品表面局部產(chǎn)生大量電流擊穿氧化膜，使得生成的氧化膜不均勻[3]，而且本文討論的是工業(yè)生產(chǎn)需要的生產(chǎn)環(huán)境，較低的電壓適用生成需要，而且高電壓不能像低壓陽極氧化生成多彩光澤。因此本試驗采用5V-100V 直流電源。

陰極在本試驗中無特定作用故采用石墨電極減少其他離子引入，電極之間的距離保持在15cm±0.2cm，穩(wěn)定的距離可以保證相對穩(wěn)定的電流密度和溶液離子濃度。氧化時間240s。陽極氧化完成后將樣品用去離子水沖洗，吹干。采用5500K 照射觀察。

試驗中陰極材質(zhì)為拋光后的TA1 板材。

1.2 TiO2 薄膜的制備

酸性環(huán)境下的陽極氧化是制備氧化鈦氧化膜最方便的方法，不僅操作一致性高還具有低溫、低電壓的特點。氧化裝置如圖1 所示。

圖1 TA1 氧化裝置示意圖

反應(yīng)方程式如下：

通常陽極氧化時因氧含量不足，氧化產(chǎn)物會通過本征半導(dǎo)體氧化物形式存在。

2 電壓對氧化膜顏色的影響

選取5V 至100V 區(qū)間作為對相，每5V 增加一次電壓，240 秒氧化時間。各電壓顏色如圖2 所示。電壓的大小直接影響氧化膜顏色，這是因為光通過TiO2氧化膜發(fā)生了衍射，在視覺上顏色從低電壓到高電壓形成了黃色-棕色-藍(lán)色-黃色-棕色-紫色-藍(lán)色-黃色的循環(huán)，形成了與光干涉基本一致的色帶循環(huán)（圖3）[4]，從圖中可以發(fā)現(xiàn)低電壓產(chǎn)生的顏色要深一些，也就是飽和度大一些。這就為五金產(chǎn)品的開發(fā)提供了一些思路，鍋具等需要加熱類產(chǎn)品在使用中會出現(xiàn)混雜的顏色（圖4）。在低電壓下形成的顏色相對深一些。在產(chǎn)品出廠時可以經(jīng)過氧化處理使其形成一種較深的顏色比如20V 時的深藍(lán)色，這樣在產(chǎn)品的使用中不會產(chǎn)生不規(guī)則的顏色影響美觀。