二氧化鈦具有良好的光電、光敏、氣敏、壓敏等特性,在太陽能電池、光催化降解污染物、各種傳感器、生物體植入材料等高科技領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景，已成為國內(nèi)外競相研究的熱點。鈦合金陽極氧化是一種成本低廉、效果明顯的電化學(xué)處理方法, 而其中電解電壓是影響陽極氧化著色的最主要的工藝條件。

　　1 實驗

　　1.1 實驗材料及儀器設(shè)備

　　鈦片, 導(dǎo)線, 塑料容器, 石墨電極, 氫氟酸( 濃度40 %, 天津化學(xué)試劑廠) , KQ- 50 型超聲波清洗器, 電吹風(fēng), 砂紙, 丙酮, 無水乙醇( 濃度99.9 %, 天津化學(xué)試劑廠) , 直流穩(wěn)壓電源( 揚(yáng)州華光儀器廠) , KYKY- 2800 B 型數(shù)字化掃描電子顯微鏡。

　　1.2 實驗步驟

　　( 1) 鈦片打磨,分別用0～400 號砂紙將鈦片打磨, 直到表面光滑沒有機(jī)械加工痕跡, 顏色呈灰白為止。

　　( 2) 鈦片用金屬清洗液超聲波清洗, 時間為10 min, 然后脫水。

　　( 3) 鈦片用丙酮超聲波清洗, 時間為10 min, 然后脫水。

　　(4) 鈦片用無水乙醇超聲波清洗, 時間為10 min, 然后脫水。

　　( 5) 陽極氧化

　　把處理后的鈦片, 分別放在體積分?jǐn)?shù)0.8 %的HF溶液中, 以鈦片為陽極, 石墨電極為陰極, 電解電壓分別為5 V,10 V, 15 V, 20 V, 25 V, 30 V, 氧化時間為20 min。

　　( 6) 氧化后立即用去離子水清洗, 脫水, 然后密封保存。

　　2 結(jié)果與分析

　　2.1 不同電壓下鈦陽極氧化著色的目測結(jié)果

　　觀測條件: 2005 年4 月上午11 時; 晴天; 室內(nèi); 窗口自然光、白色背景下, 90°的視角, 距離30 cm。

　　顏色變化規(guī)律與閆召民等實驗做的結(jié)果一致。而著色原因閆召民, 郭天文, 余建軍等認(rèn)為由于氧化膜表面的反射光與氧化膜一鈦界面內(nèi)部的反射光發(fā)生光的干涉作用, 由不同波長的色光相加混合而顯色的。但把試樣在600 ℃退火后, 試樣基本都變成紫藍(lán)色了。這可能還是王革, 程祥榮等所認(rèn)為的表層氧化膜晶體形成過程中,相當(dāng)數(shù)量的電子在鈦離子和氧離子之間不斷躍遷, 發(fā)射出一定波長的光波有關(guān),退火后這些電子可能從激發(fā)態(tài)變成了穩(wěn)態(tài)。

　　2.2 電解電壓對鈦表面形貌的影響及機(jī)理

　　圖3是在5 V電壓下, 在體積分?jǐn)?shù)0.8 %的HF溶液中氧化20 min 所得到的SEM圖, 從圖中可以看出試樣表面開始出現(xiàn)多孔氧化膜。圖3是在10 V 電壓下, 在體積分?jǐn)?shù)0.8%的HF 溶液中氧化20 min 所得到的SEM圖, 從圖中可以看到鈦表面已經(jīng)形成了排列有序的TiO2 納米管, 納米管壁厚約在20 nm, 孔徑約在100 nm。這與Varghese等所得到的結(jié)果一致。納米管形成的機(jī)理跟多孔氧化鋁的形成機(jī)理相似。當(dāng)電壓剛加到電極兩端時, 回路中電阻很低, 電流較高, 產(chǎn)生大量Ti4+離子, 接著Ti4+ 離子與溶液中含氧離子快速相互作用, 并在Ti 表面形成致密的TiO2 膜即阻擋層, 阻擋層使得回路電阻增加, 引起電流的下降。而TiO2 膜電阻較鈦基大的多, 所以其承受的電壓很大, 加上TiO2 膜本身形成過程中的缺陷, 使得阻擋層開始擊穿形成孔核, 隨著氧化時間的加大,孔核變成小孔。而在孔的底部由于局域電場大, 可能在孔底有火花放電現(xiàn)象存在, 局部過熱使得孔底的阻擋層開始溶解, 在溶解的同時又有新的阻擋層形成, 當(dāng)兩者出現(xiàn)平衡時電流趨于穩(wěn)定。但由于孔壁處電場較弱, 溶解速度較慢, 所以形成了垂直于表面排列整齊TiO2 納米管。圖4 是在15 V 電壓下在體積分?jǐn)?shù)0.8 %的HF 溶液中氧化20 min 所得到的SEM圖, 可以看出在此電壓條件下, 納米管已經(jīng)塌陷得很厲害了。

　　3 結(jié)論

　　本試驗是在HF 水溶液體系中電解氧化純鈦片、通過改變電解電壓, 得到了以下結(jié)論

　　(1) 電解電壓對鈦陽極氧化膜顏色可控。

　　(2) 在一定的電壓下可以獲得排列規(guī)則的TiO2 納米管陣列。

　　本試驗只是就電解電壓對鈦陽極氧化膜的表面特征進(jìn)行了初步探討, 但對影響氧化膜的其它參數(shù)如電流, 溫度, 時間等沒有系統(tǒng)研究, 這是有待進(jìn)一步研究的地方。