学文网摘 要：钛表面阳极氧化技术克服了钛不耐磨的缺点和提高了其生物相容性等，使其在航空及医学行业得到充分地运用。本文还介绍了一些具体的方法及阳极氧化的原理。
关键词：钛 表面 阳极氧化 氧化膜
引 言：钛因其比强度高、耐蚀性好而在宇航工业中广泛的应用，但又因存在易于磨损而限制了它的充分利用。为了防止和减轻钛的磨损,可以通过阳极氧化在钛表面生成氧化层[1]。除此，钛及其合金以其特有的优良机械性能、化学性能和生物相容性越来越多的被应用到临床[2] 。作为一种常用的金属表面处理方法, 阳极氧化是利用电化学原理通过调整阳极氧化的电解条件, 可以在金属表面形成不同程度粗糙、多孔的氧化层, 附加在原有的极薄的自然氧化物上, 从而促进生物细胞的黏附, 抑制金属离子的释放和增强金属离子抗腐蚀性能[ 3, 4] 。
1.阳极氧化原理
阳极氧化是通过改变阳极工艺参数来获得不同厚度的氧化膜，从而满足各种不同的生产与应用需求。主要经过除油―水洗―酸洗―水洗―阳极氧化―水洗的工艺流程。
钛膜阳极氧化时,在阳极上会发生如下的阳极反应:
Ti +H2O TiO + 2H+ + 2e (1)
2Ti + 3H2O Ti2O3 + 6H+ + 6e (2)
Ti + 2H2O TiO2 + 4H + + 4e (3)
3Ti + 5H2O Ti3O5 + 10H + + 10e (4)
由反应式(1) ～ (4)可知:钛阳极上生成了钛的氧化物。而
钛的低价氧化物在阳极氧化继续时又会生成高价钛的氧化物,
其反应式(5) ～ (7)为:
2TiO +H2O Ti2O3 + 2H + + 2e (5)
Ti2O3 +H2O 2TiO2 + 2H + + 2e (6)
3Ti2O3 +H2O 2Ti3O5 + 2H+ + 2e (7)
2.阳极氧化研究现状
目前钛及钛合金阳极氧化主要在酸性溶液中进行。阳极氧化溶液及工艺条件不同，所获得的氧化膜的颜色、厚度、性能有所差异。
主要方法有草酸阳极氧化，脉冲阳极氧化，厚膜阳极氧化，着色阳极氧化，当钛及钛合金阳极氧化膜达不到要求时，还涉及钛及钛合金阳极氧化膜的退除。
以下就对着色阳极氧化进行介绍：
钛表面的色彩不仅在生产上有用, 而且还有着一定的艺术价值。在适当的阳极气化条件下, 钛表面生成的易于形成干涉色的透明氧化膜会产生一种富有艺术价值的色彩,这种艺术手段在金属工艺、纺织、照相、雕刻和建筑等方面都有着潜在应用。
当电流通过悬置在电解液中的钛阳极时, 钦阳极上产生的氧与钦反应形成氧化膜, 其厚度随电压的升高而增加, 同时, 氧化膜对电流的阻碍作用也随之增大。一定的电压对应着一定厚度的氧化膜, 而氧化膜的色彩又随氧化膜厚度的改变而变化。
阳极着色过程和电镀相似, 对电解液无特殊要求。10%硫酸,5% 硫酸铵,5%硫酸镁,1% 磷酸三钠等的各种各样的水溶液, 急需时甚至白葡萄酒的水溶液均可应用。一般可用3%―5%重量的磷酸三钠的蒸馏水溶液。在为获得高电压色彩的着色工艺中, 电解液中不应含有氯离子。因高温会引起电解液变质而造成多孔氧化膜, 故电解液应放置在阴凉处。
在阳极着色时, 所用阴极的面积以等于或大于阳极面积为宜。电流限制在阳极着色中是很重要的, 因戈艺术家常常把阴极电流输出端直接焊在画笔的金属夹子上, 这时, 着色面积很小。为了使阳极反应速度和电极大小与着色面积相匹配, 不致于因电流过大而造成氧化膜破裂和电腐蚀, 就必须限制电流大小。[5]
3.阳极氧化技术在临床医学与宇航事业的应用
钛是一种生物惰性材料, 与骨组织结合时存在结合强度低, 愈合时间长等问题, 不易形成骨性结合。故人们采用各种方法对钛种植体进行表面处理, 促进HA 在其表面的沉积或加强生物分子吸附,以提高其生物活性。最近的十几年中, T iO2纳米管由于其优良的性能受到了广泛关注。体内外试验证实它可以诱导羟基磷灰石(HA ) 在其表面的沉积,加强界面的结合强度, 从而能促进成骨细胞在其表面黏附、生长[ 6] 。表面处理的常用方法包括solgel层法、水热合成法、水溶液沉积法和电化学氧化法等, 电化学氧化法是制备高度规律排列的T iO2纳米管的简便方法之一。本试验利用阳极氧化法探讨制备T iO2纳米管的条件以及T iO2纳米管对钛表面在SBF溶液中矿化活性的影响。
钦的密度低, 比强高和耐高温, 故在宇航和相关领域中得到广泛应用。但缺点是不耐磨损, 易擦伤和易被氧化。采用阳极氧化是克服这些不足的有效手段之一。
经阳极氧化的钛可以用于装潢, 精整, 耐大气腐蚀。在滑动表面能减少摩擦、提高热控制, 能提供稳定的光学性能等。[7]
4.结语
近年来，钛依靠其比强度高，耐腐蚀性，生物相容性等优越的特性，在生物医学和航空领域得到很好的应用。但其耐磨性差，也大大限制了钛的使用。随着钛阳极氧化的技术的出现，克服了它的这个劣势。阳极氧化技术主要是针对氧化膜的厚度等参数的改变进行钛性能的优化。
参考文献：
[1]刘文科,曹小华,彭述明,等. 钛阳极氧化层的表征[A ]. 材料科学与工程・科技学术论文集( 2005 ) [ C ]. 北京: 原子能出版社,2005. 1082113
[2]王 炜, 陶 杰, 章伟伟, 等 [ J] . 中国有色金属学报,2005, 03: 0490.
[3]王家伟, 程祥荣, 王贻宁[ J] . 中国口腔种植学杂志,2001, 6( 2 ) : 51-54.
[4]王家伟, 程祥荣, 王贻宁[ J] . 中国口腔种植学杂志, 2001,6( 3 ) : 101-103.
[5]王廷鑫译 颜世春校《Metal Progress》，1982，6(1):35-37
[6]容明灯, 综述, 周磊, 等. 钛种植体表面处理方法的研究新进展[ J] . 广东牙病防治, 2007, 15( 10 ) :476- 478
[7]潘会波 摘译自《Thin Solid Films》，1992，Vol.208,No.1,P.48-54