[发明专利]一种在钛合金表面制备纳米管的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛合金表面制备纳米管的方法，具体涉及一种用微弧氧化工艺在钛金属表面制备有序TiO₂纳米管的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

由于其独特的阵列结构和优异的纳米效应，TiO₂纳米管被广泛地用于光催化剂、太阳能电池、气敏传感材料、催化剂载体和超级电容器等研究领域。自2001年美国科学家Grimes首次利用阳极氧化法制备TiO₂纳米阵列材料后，阳极氧化法成为目前制备TiO₂纳米管的一个主要方法，该方法制备的纳米管分布均匀且排列整齐，但是，所制备的纳米管与基体的结合力不强，容易脱落。

微弧氧化法是一种在有色金属表面原位生长陶瓷膜层的表面处理技术，相对于阳极氧化，其形成的陶瓷薄膜更加致密，与基体的结合强度更高，且具有优异的耐磨耐蚀性能、较高的硬度和绝缘电阻，但是，在目前的研究和应用中，微弧氧化所形成的氧化层在微米尺度上具有多孔状的结构，不具备形成纳米结构的条件。

发明内容

本发明旨在提供一种在钛合金表面制备纳米管的方法，首次采用特殊的微弧氧化法，在金属钛表面制备出纳米管阵列。

本发明提供的一种在钛合金表面制备纳米管的方法，包括以下步骤：

1）工件制备：将纯钛工件通过线切割加工得到所需试样，然后分别使用不同级别的水砂纸将试样逐级打磨至表面无明显划痕，将抛光过的试样先后在丙酮、乙醇、去离子水中进行超声波清洗，然后再用环氧树脂密封试样的背面，留出工作面；

2）微弧氧化处理：工件全部浸没在电解液界面之下，工作电流密度为0.1-0.8A/cm²，占空比为25-35%，反应时间为2-30min，在钛合金表面制备出纳米管。

上述方案中，所述电解液包括Na₃PO₄ 和AgNO₃，其中Na₃PO₄ 的浓度为0.5-30.0 g/L，AgNO₃的浓度为0.3-20.0 g/L，二者的体积比为1∶1。

上述方案中，在金属钛表面工作面的90%以上区域制备出纳米管，所述纳米管为垂直于基体材料表面的纳米级二氧化钛管状阵列，所述纳米管的管径及管壁厚度均匀。

进一步地，通过Nano measure 1.2软件统计得出：所制备出的纳米管，其孔径为25.58±20nm，管壁厚度为15.35±10nm。

进一步地，上述方法可细化为：包括以下步骤：

1）工件制备

将TA2纯钛工件通过线切割加工得到Φ14mm×3mm的实验所需试样，然后分别使用360#，600#，1200#的水砂纸将试样逐级打磨至表面无明显划痕，将抛光过的试样先后在丙酮，乙醇，去离子水中分别超声波清洗5min；用环氧树脂密封试样，留出面积为1.54cm²的工作面。

2）电解液的制备

电解液成分包括Na₃PO₄（0.5-30.0 g/L）和AgNO₃（0.3-20.0 g/L），二者的体积比为1∶1，开启冷却循环系统和搅拌器使电解液成分混合均匀。

3）微弧氧化法在钛表面制备纳米管

A. 通过连接导线将工件挂置好，并使工件全部浸没在电解液界面之下，确保在反应过程中工件不碰触到电解槽底部和电解槽壁。

B. 微弧氧化电源参数采用脉冲直流电源，电流密度为0.1-0.8A/cm²，占空比为25-35%，直流脉冲频率为700-850Hz；设置好电源参数之后，启动控制柜开始微弧氧化，每隔10s记录电压参数，反应时间为4-15min。

4）反应后样品处理

除去密封试样所用环氧树脂，并分别用丙酮、无水乙醇和去离子水清洗工件5min，最后用真空冷冻干燥机烘干工件。

更进一步地，所述步骤3）的反应时间4min。

本发明的有益效果：