簡述微弧氧化的一些特性

摘 要：在陽極氧化基礎之上發展起來的微弧氧化，其制備方法簡單，操作方便可控，并且對環境的污染極小，近年來引起了國內外學者的高度重視，文章介紹了微弧氧化特性、應用的領域、技術特點，微弧氧化膜層與其他膜層相比的優越性及膜層的適用領域。

關鍵詞：微弧氧化；特性；微弧氧化膜層；應用領域

微弧氧化是在陽極氧化的基礎之上發展起來的，別名陽極火花沉積、微等離子氧化，仍然屬于電化學的范疇，其處理方法是將試樣（鋁、鈦、鎂等金屬）或這些金屬的合金放置于根據需求調配好的電解液中，利用電化學原理，使試樣表面產生空洞并火花放電，最終制備出成分均勻的微弧氧化膜，整個實驗過程是處于高電壓下，通常都是數百伏以上，而陽極氧化的電壓一般在幾十伏以下，而電壓與電流成正比，這就決定了微弧氧化的電流大，往往是數安以上，實驗過程不斷有火花放電，在高電壓、高溫度及氧化反應的綜合作用下最終在試樣表層形成了孔隙疏松的薄膜。

這門技術是電化學脈沖、陽極氧化的結合及升級，由于微弧氧化膜的形成是從底材上進行生長，與底材結合非常緊密，不會輕易脫落，有數據顯示其結合強度達到56MPa左右，提高了其使用過程中的耐磨性及抗腐蝕能力，除此之外，微弧氧化的投入成本低，操作工藝簡單，實驗設備的成本也很少，對工件的形狀要求低，完成周期短，實驗過程中只需3～5min就可以制得微弧氧化膜，既節約了時間又節省了成本，而制得的表面具有提高材料耐磨強度、耐腐蝕性，并能保持絕緣等一系列優點。

如果將微弧氧化應用于陶瓷上，那么制備出的陶瓷體內部仍然為致密體，表層為多孔狀，如果通過對電解液的成分加以調整，可以增加人體組織中缺少的鈣、磷的元素，這對于鈦及其合金在生物材料方向的應用及前進有明顯的助力，由微弧氧化作用材料使得其表層產生空洞，粗糙度增大，而恰恰是這種空洞結構非常有利于骨細胞生長，促進假體鈦基和人體更好的融合在一起，減少了假體的磨損性及由于運動而產生的脫落，假體的使用時間延長，現在這門新興的技術引起了國內外學者的廣泛關注[1]。

微弧氧化技術是在陽極氧化及電化學綜合基礎上的一次升級，是一門新的具有突破性的技術，微弧氧化的電壓高達上百伏，而電壓和電流成正比，在高電壓下其電流自然也增加，微弧氧化的過程是處在火花放電區域，在高電壓的作用下，材料表層空隙膜均勻，比面積低，金屬在電化學過程中同時經歷高電壓、大電流，這種綜合作用等同表層材料經歷了高溫高壓，所以最終得到的孔隙膜物理化學性能更加優異，在實驗的過程中，可以肉眼觀察到放電、火花、輝光等現象，試樣表層在經歷過微弧氧化的技術處理后，其相結構發生了重大改變。此外，微弧氧化技術對材料的形狀要求不高，對于空心試件甚至形狀不規則或較為復雜的試件均可進行氧化鍍膜，其原因在于原液離子受到電場力的影響作用從而會均勻覆蓋于基層表面。

微弧氧化第二大特征是制得的產品表層有空洞，粗糙度高，但基底緊實，這種質地粗糙的有空洞的表層非常有利于骨細胞的生長與附著，有助于假體與人體骨的融合，從材料體側面觀察可以將表層膜分三部分，最外層稱為疏松層，疏松層的質地較硬，主要是經過電化學反應的沉積物附著而成，直觀表現為孔洞，粗糙度很高，如果產品要求提高產品表面粗糙度，可直接通過拋光等手法對疏松層進行打磨，或者通過調節電壓參數來控制孔洞的大小；中間層為致密層，相對于疏松層，孔洞尺寸明顯變小，直徑保持在10um以下，成相主要表現為金紅石型二氧化鈦，也有少量的銳鈦礦存在，致密層的硬度較高，耐磨性能好，對于采用微弧氧化的假體來說，致密層可以起到隔離假體與體液的接觸，同時起到一定的提高疲勞磨損的作用，進一步提升了假體壽命；最內層是界面層，界面層表現為復雜相，其成分為金屬與電化學沉積的混合體，微弧氧化有非常重要的特點是氧化膜層的成分及其性質可以通過調配電解液來控制，針對不同組分不同比例的電解液最終得到的人們所需的氧化膜層，比如制備一些具有修飾功能的膜層，通過改變電解液成分還能得到一些阻隔溫度層膜、絕緣層膜等，將其應用的范圍擴展至醫藥、光催化等領域，比如在人體的鈦合金假體組織的膜層中加入鈣，可提高生物活性，延長假體壽命[2]。

除此之外，微弧氧化技術及其膜層具有許多其他膜層無法比擬的優點，總結如下：

（1）孔隙率極低，從而微弧氧化膜具有抗腐蝕的性能及較好的絕緣性；

（2）在溫度較高時會發生相變，相變后膜層的硬度、耐磨性提高；

（3）可以改變操作工藝及控制電解液成分設計出滿足需求的氧化膜，增加了它的應用性能；

（4）膜層直接在基底上生長，對于形狀復雜的構建仍然適用；

（5）可以通過氧化時間來控制氧化層厚度，通過調整電壓或電流來調控孔徑的大小；

（6）反應速度較快，對環境要求極低，在自然常溫下就可以進行，操作工藝步驟少，方便批量生產；

（7）大多數金屬材料都可以進行微弧氧化；

（8）不會對周圍的環境造成污染。

前文提到利用微弧氧化技術可以制備出具有不同功效的膜層，其應用領域主要表現為以下幾個方面：制備出的具有耐蝕性能的膜層多用于化學設備、建筑、管道等，制備出的具有耐磨性能的膜層多用于機械領域、發動機部件等，制備出的具有絕緣功能的膜層多用于儀器儀表等電子領域，還有一些膜層具有特定的功能性適用于光催化、醫療器材等領域。

參考文獻

[1]Imazato S. Antibacterial Properties of Resin Composites and Dentin Bonding Systems. Dent Mater， 2003， 19： 449-457.

[2]LH Li，YM Kong，HW Kim，et al. Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation. Biomaterials. 2004，25（14）：2867-2875.

作者簡介：羅錦潔（1986-），女，漢族，四川儀隴人，單位：重慶三峽學院機械工程學院，碩士，助教，主要研究方向：材料表面改性。