不同電壓對TA1 板材氧化膜的厚度及著色的影響

傅鴻博 李媛媛

中國日用五金技術開發中心 遼寧沈陽 110032

引言

金屬鈦以其高強度、低密度、良好的耐腐蝕性以及生物相容性等特點，使其在日用五金領域得到了廣泛的應用。其在氧化時表面會生成成分為TiO2的氧化膜阻止其繼續氧化，在發生電化學腐蝕時。這層氧化膜不僅能夠有效地防止鈦材進一步被腐蝕，還有一些其他金屬氧化膜不具備的特點。日常生活中色彩絢麗的鈦容器就是利用了這一物理特性[1]。一些戶外愛好者還根據這一特點使用噴槍等工具對鈦工具進行“烤藍”。但這一特性并不好控制，如鈦鍋在日常使用中鍋底會呈現混亂無序的顏色，影響美觀。氧化層的預先處理以及色彩的控制對工業生產有著重要意義。氧化膜的制備方法主要有溶膠凝膠法、氣相沉積法、水熱法和溶劑熱法，以及電化學陽極氧化法。本文主要研究五金工業生產中較為常見的電化學陽極氧化法。

1 試驗方法

1.1 試驗條件及試劑

根據相關研究[2]發現當電解液為酸性介質時金屬表面氧化物的成長速度要快于電解液為堿性的速度，因為在酸性電解液中會形成較高的電流密度，當酸性介質濃度過高時，成膜速度反而會降低；所以本實驗采用1.5(mol·L-1)的稀磷酸作為電解液。

增大電壓會提高氧化膜的形成效率。但會在樣品表面局部產生大量電流擊穿氧化膜，使得生成的氧化膜不均勻[3]，而且本文討論的是工業生產需要的生產環境，較低的電壓適用生成需要，而且高電壓不能像低壓陽極氧化生成多彩光澤。因此本試驗采用5V-100V 直流電源。

陰極在本試驗中無特定作用故采用石墨電極減少其他離子引入，電極之間的距離保持在15cm±0.2cm，穩定的距離可以保證相對穩定的電流密度和溶液離子濃度。氧化時間240s。陽極氧化完成后將樣品用去離子水沖洗，吹干。采用5500K 照射觀察。

試驗中陰極材質為拋光后的TA1 板材。

1.2 TiO2 薄膜的制備

酸性環境下的陽極氧化是制備氧化鈦氧化膜最方便的方法，不僅操作一致性高還具有低溫、低電壓的特點。氧化裝置如圖1 所示。

圖1 TA1 氧化裝置示意圖

反應方程式如下：

通常陽極氧化時因氧含量不足，氧化產物會通過本征半導體氧化物形式存在。

2 電壓對氧化膜顏色的影響

選取5V 至100V 區間作為對相，每5V 增加一次電壓，240 秒氧化時間。各電壓顏色如圖2 所示。電壓的大小直接影響氧化膜顏色，這是因為光通過TiO2氧化膜發生了衍射，在視覺上顏色從低電壓到高電壓形成了黃色-棕色-藍色-黃色-棕色-紫色-藍色-黃色的循環，形成了與光干涉基本一致的色帶循環（圖3）[4]，從圖中可以發現低電壓產生的顏色要深一些，也就是飽和度大一些。這就為五金產品的開發提供了一些思路，鍋具等需要加熱類產品在使用中會出現混雜的顏色（圖4）。在低電壓下形成的顏色相對深一些。在產品出廠時可以經過氧化處理使其形成一種較深的顏色比如20V 時的深藍色，這樣在產品的使用中不會產生不規則的顏色影響美觀。

圖2 TA1 板材在不同電壓下的氧化顏色

圖3 自然白光干涉光帶圖譜

圖4 鈦鍋在使用時出現的著色

根據圖5 所示其厚度隨電壓變化的曲線為比較穩定的線性關系，之所以線性是因為形成的TiO2具備一般金屬氧化物不具備的阻擋作用，對氧化膜生長有抑制繼續氧化的作用。

圖5 氧化膜厚度隨電壓變化的曲線

本試驗膜厚關于電壓的成長速度約為2.25(nm·V-1)。穩定的線性關系有利于工業生產的需求。

氧化膜厚度為同樣品三點測量的均值如下表1。

表1 不同電壓下氧化膜厚度

3 結論

通過以上各電壓下的氧化膜厚度與顏色關系的研究：

結論一。通過低電壓陽極氧化的方法可得到多彩的氧化膜。

結論二。施加不同電壓在5V-100V 范圍內與TiO2厚度呈線性關系，而氧化膜厚度決定了干涉形成的視覺參數。

結論三。同樣品氧化膜厚度一致、誤差較小、顏色穩定這些特點可以用于工業加工生產。

結論四。不同厚度的氧化膜顏色由低電壓到高電壓呈循環出現。在工業生產中可提前加工出飽和度較深的顏色以防止出現后續使用時顏色混亂的現象。