[發(fā)明專利]在純鈦表面產(chǎn)生多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)層的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810044929.9
• 申請日: 2008-03-11
• 公開（公告）號: CN101244462A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮波;高玲;劉達(dá)理;翁杰;魯雄;汪建新
• 申請（專利權(quán)）人: 西南交通大學(xué)
• 主分類號: B22F9/30
• 分類號: B22F9/30;B22F1/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，具體地說涉及一種在純鈦表面產(chǎn)生多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)層的制作方法。

背景技術(shù)

鈦和鈦合金材料因其密度小、比強度高、熱傳導(dǎo)率低、線收縮率小、對X線呈半阻射性、無磁性、耐腐蝕性好，因而廣泛應(yīng)用于航空航天、機械儀表、生物醫(yī)用材料和日用工業(yè)等領(lǐng)域。但使用的時候，常常需要對其表面進(jìn)行改性，目的是為了得到性能更優(yōu)越的表面，如通過增加表面的粗糙度來增加比表面積和比表面能，或通過表面納米化來改變表面的微觀結(jié)構(gòu)，提高材料應(yīng)用性能等。目前應(yīng)用較多的是通過酸(堿)腐蝕來增加表面的粗糙度。粗糙表面增加了材料的比表面積，加大了表面與環(huán)境的接觸，加快表面的反應(yīng)。

納米二氧化鈦具有細(xì)小的晶體尺寸及獨特的納米尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，使其展現(xiàn)出許多納米特性，如比表面積大、表面活性中心多、表面反應(yīng)活性高、強烈的吸附能力和較高的催化能力，良好的生物相容性及耐腐蝕等性能，具有重大的應(yīng)用價值。近年來，納米二氧化鈦廣泛用作催化劑、高分子材料的改性劑和增強劑、空氣凈化劑、抗菌劑、涂料、化工污水處理劑、生物材料、化妝品及醫(yī)藥行業(yè)。因此，在鈦表面制備一層多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)層，能夠更好地增加材料的比表面積，并賦予表面納米特性。二氧化鈦納米管是納米二氧化鈦的一種存在形式。在鈦表面制備納米管陣列的方法有模板法和陽極氧化法。但目前國內(nèi)外所報道的方法中，通常用的都是平坦的材料表面，對于粗糙表面陽極氧化后出現(xiàn)納米管的情況，國內(nèi)外很少有相關(guān)研究，另外，腐蝕體系的選擇是構(gòu)造合適的粗糙表面的重要因素。

鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上情況，本發(fā)明的目的是選擇合適的工藝條件，特別是研究適宜的酸腐蝕液和電解液體系，通過部分參數(shù)或成分的調(diào)節(jié)，在鈦表面制出具有多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。

發(fā)明內(nèi)容

在純鈦表面產(chǎn)生多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)層的方法，得到管徑40-120nm，管長800-2000nm的納米管均勻分布在微米級孔表面，該多級微/納米結(jié)構(gòu)層的孔尺寸范圍為40nm-60μm；鈦材料置于無氧酸腐蝕液中腐蝕生成微米級孔表面；反應(yīng)后經(jīng)過陽極氧化處理獲得表面納米構(gòu)造；最后經(jīng)退火熱處理轉(zhuǎn)變?yōu)殇J鈦晶型，包含以下步驟：

1)、鈦材經(jīng)清洗后在60℃酸腐蝕液中做表面腐蝕處理，所述無氧酸腐蝕液為含有0.45-0.9mol/L氯化鈣和6.2mol/L的鹽酸的混合液；腐蝕時間10-24小時；反應(yīng)后清洗、干燥鈦片。

2)、由1)得到鈦材放入1mol/L磷酸二氫銨和0.2-0.6mol/L的氫氟酸的混合電解液中進(jìn)行恒壓陽極氧化，電壓10-25V，電極間距為3-5cm，電解槽溫度保持在20℃，氧化時間60-720分鐘，電解液保持?jǐn)嚢锠顟B(tài)。反應(yīng)后將鈦片清洗、干燥。

3)、對2)得到的具有微/納米結(jié)構(gòu)層表面構(gòu)造的制品進(jìn)行熱處理：在空氣氣氛下，升溫速度為2-3℃/min，450℃保溫6小時，然后隨爐冷卻至室溫；最后在純鈦表面得到銳鈦礦型多級尺寸的微/納米結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

一、采用非氧化性的酸在鈦表面腐蝕產(chǎn)生微米級孔，且鈦表面無氧化層產(chǎn)生，給后續(xù)的電化學(xué)處理提供了便利的條件。表面腐蝕狀況可通過操作過程中的工藝參數(shù)(濃度、時間等)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使加工成型后的鈦或鈦合金在腐蝕后，能在表面得到預(yù)想的微孔尺寸；

二、制備的孔尺寸范圍大，納米管均勻分布在微孔表面，可以大大增加材料表面的比表面積和納米特性；

三、本發(fā)明操作簡便，成本低，設(shè)備為普通的水浴、陽極氧化裝置、熱處理爐，不需復(fù)雜或大型設(shè)備。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

實施例一

在直徑為10mm，厚度為1.5mm的純鈦片上制備40nm-60μm的微/納米多孔層。

(1)將直徑為10mm，厚度1.5mm的薄鈦片，依次用280#，600#，1000#的耐水碳化硅砂紙打磨，然后依次在丙酮，去離子水中超聲清洗10min；

(2)在含有微量氫氟酸的5mol/L硝酸溶液中酸洗至無氣泡產(chǎn)生，然后用去離子水超聲清洗鈦片，干燥后進(jìn)行操作(4)；

(3)配置酸腐蝕液，成分包括：100mL酸腐蝕液中含有0.9mol/L氯化鈣和6.2mol/L的鹽酸；

(4)酸腐蝕試驗參數(shù)：腐蝕液放入250mL燒杯中，置于60℃水浴中，腐蝕時間24小時。鈦片取出后在去離子水中超聲清洗10min，干燥后進(jìn)行操作(6)；

(5)配制100mL混合電解液，包括1mol/L的磷酸二氫銨和0.2mol/L的氫氟酸；