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钛合金阳极氧化制备TiO_2纳米管阵列结构及其物性的研究

张文彦  
【摘要】:纳米阵列结构由于其广阔的理论研究意义及实际应用价值而引起了人们的广泛关注。已有的研究表明,TiO2纳米管阵列有大的比表面积、高度有序化及纳米尺寸效应等特征,因此,呈现出比其它形式的TiO2更好的光电性能、光催化性以及传感性等。基于阳极氧化的电化学自组装是制备纳米管阵列的简单且富有变化的有效方法。 虽然过去对于阳极氧化法制备TiO2纳米管阵列已有较多的研究工作,如电压、电流密度、电解液体系、阴极材料对于形成纳米管阵列制备及性能的影响等。但是阳极体系对纳米管阵列制备的作用问题、阳极合金元素的掺杂机理问题等的研究较少且缺乏系统性。本论文针对钛合金阳极氧化制备TiO2纳米管阵列结构、机理及其物性,做了较为系统的研究,主要内容及结果如下: 1.首次通过阳极氧化制备出具有同轴双壁结构的纳米管阵列。该纳米管平均外壁直径约140nm,内壁直径90nm左右,内外管壁间隙10nm。这种纳米结构具有更高的比表面积和显著的同轴双壁特征。经过系统实验获得了同轴双壁纳米管形成的基本工艺条件。进一步研究了具有纳米管阵列的TLM合金表面成骨细胞生长特性,实验发现,与纯钛相比TLM合金表面的纳米管阵列具有更好的促进细胞粘附、生长的特点。 2.研究了钛合金相组织对阳极氧化制备纳米管的影响。通过对α相、β相及α+β相三类钛合金进行阳极氧化制备纳米管阵列的研究,发现固溶急冷态的纯钛阳极氧化,可获得细微纳米晶堆积的纳米管管壁,该纳米管具有更大的比表面积。研究认为急冷引起的内应力是造成纳米管管壁粗化的主要原因。选用TLM和TC21合金两类双相钛合金,通过控制热处理温度来调控钛合金中α与β相的比例,进而实现对纳米管的尺度(管壁厚度、长度等)控制。研究发现,在TLM合金表面可获得氧化物多孔、单壁纳米管以及同轴双壁纳米管三种纳米结构。对TC21合金阳极氧化表明,相界面的存在会影响纳米管的一致性,对TC21热处理后的急速快冷有助于纳米管中的TiO2相转变。 3.系统研究了合金元素在纳米管中的掺杂方式、以及对纳米结构的影响规律。通过对6种成分比例’TiNb钛合金阳极氧化研究,发现合金Nb元素会掺杂到TiO2晶格中,随着合金中Nb含量的增加,纳米管阵列的生长速度线性增加。对Ti47Nb合金阳极氧化实验中获得双尺度交错排布的有序纳米管阵列结构和小纳米管与纳米线连接的有序多孔结构。论文提出了双壁纳米管的应力诱导形成机制;阐述了在高电压场作用下,通过电化学界面反应控制与阳极合金元素控制相结合实现纳米材料可控制备的新方法。 4.以多孔钛为阳极,氧化法制备得到TiO2纳米管阵列和一种新型纳米晶须阵列结构。论文分析了金属多孔电极结构对于纳米材料制备的影响。论文对具有微纳米结构复合的多孔钛表面进行了浸润性实验,发现纳米晶须极大地降低了水滴的滚动角,该表面呈现超疏水特性,而微孔钛表面的TiO2纳米管阵列能达到快速浸润的效果,并阐述了相关机理。


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