钛合金表面多孔陶瓷膜的制备及其性能研究(3)
钛合金的阳极氧化过程即指在一定浓度电解液中，将钛合金制件作为阳极，不锈钢、铝等作为阴极，在两极之间施加一定电压进行电解，使阳极上生成氧，并与钛表面反应形成氧化膜。实质上，阳极氧化过程是一个包含物理作用，化学作用，电化学作用的综合过程。钛合金阳极氧化时发生的电化学反应为：
Ti→Ti2+→Ti3+→TiO2。
它是由溶解的钛离子在溶液中的迁移，电极放电以及氧化反应等过程组成的。在外加强电压的作用下，钛离子从金属点阵中逸出，并越过钛合金基体与氧化膜界面进入氧化膜，进而向外扩散；在电解液与氧化膜界面上形成的氧离子以相反的方向扩散迁移，当钛离子与氧离子相遇时就形成了二氧化钛氧化膜。
阳极氧化的电解液及工艺条件不相同，氧化膜的结构与形貌也不同，通过调节阳极氧化工艺参数，可获得具有多孔结构的氧化膜层。多孔氧化钛膜的形成是膜生长与溶解这两个过程协同作用，动态平衡的结果。采用恒压阳极氧化形成多孔 TiO2膜的过程主要分三个阶段[13,14]，如图2.1所示：
第一阶段：氧化膜阻挡层的形成；
在阴极与阳极之间施加一定电压，作为阳极的金属钛在电解液中迅速溶解，阳极电流密度很大，产生大量钛离子，钛离子与电解液中含氧离子迅速结合，在钛合金表面形成较为致密的氧化层。氧化膜的形成阻碍离子通过，使反应速度减慢，电流密度急剧降低。这一阶段通常在当阳极氧化开始的瞬间几秒钟就可完成。
第二阶段：氧化膜中纳米孔的形成；
随着氧化层的逐渐形成与生长，膜层承受的电场强度不断增大，在电解液中阴离子及电场的共同作用下，氧化钛阻挡层发生了局部溶解，形成很多不规则的微孔[15-18]。基体表面出现的微观起伏凹痕，使得电流密度在阻挡层表面分布不均匀，电场在氧化膜表面凹陷处集中，凹陷处的阻挡层溶解速率变大，从而在氧化膜上生成了纳米级多孔结构。
第三阶段：纳米孔的平衡生长。
在此阶段，电流由阻挡层两侧离子的迁移提供，形成的电流相对稳定。纳米微孔底部的电荷密度高于孔壁，微孔底部氧化钛腐蚀溶液的速率大，微孔逐渐加深加宽，向钛合金基体进一步生长，最终氧化层的溶解速率与生成速率持衡，多孔结构的孔径与孔深不再增大，氧化层稳定[19,20]。
1.3 本文的研究内容及意义
钛合金具有优异的生物相容性和生物力学性能，成为目前应用最为广泛的人工关节金属材料。但随着置换关节使用年限的增加，磨损产生的磨屑聚积并刺激机体细胞产生一系列不良的生物反应，引起骨溶解和骨骼发炎，造成假体松动，缩短了人工关节的使用年限[21-23]。因此，提高材料的耐磨性，改善其表面润滑状态将进一步拓展其在生物材料方面的应用，而在钛合金表面阳极氧化是改善其摩擦学性能的有效方法之一。本文采用阳极氧化法，在钛合金表面形成结合良好、并具有一定厚度的多孔氧化膜。初步探讨钛合金表面的多孔结构在储存润滑液 ，降低摩擦磨损方面的功效[24,25]。具体实验如下：
(1) 材料制备
使用不同型号砂纸对钛合金样品表面进行打磨并且抛光。然后将样品分别放入乙醇和去离子水中进行超声清洗。
(2) 钛合金表面的阳极氧化实验
将钛合金样品作为阳极在电解液溶液中接上电源，然后在80V,100V,120V的电压下，进行时间不同的阳极氧化。
(3) 阳极氧化后钛合金样品的表面表征
利用光学显微镜，SEM和X 射线衍射分析阳极氧化后钛合金表面形貌的变化, 采用T1000A型表面粗糙度测量仪粗糙度的变化。
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