微納米多孔α-鈦的制備與組織結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、多孔鈦繼承了鈦良好的耐蝕性、生物相容性、高的比強(qiáng)度等性能，還具有密度低、比表面積大、滲透性好、耐沖擊性和隔聲等特點(diǎn)。但是國內(nèi)外對于微納米多孔鈦的研究較少，因?yàn)槲⒓{米多孔鈦的制備難度很大。然而微納米多孔鈦由于其雙連續(xù)開放性微納米孔的存在具有很多優(yōu)異的特性，在生物傳感器件，生物催化器件，生物醫(yī)藥用超濾乃至納濾介質(zhì)，氣體傳感器，超級電容器的電極，氣體吸附存儲等領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。因此，對微納米多孔鈦的制備工藝，組織結(jié)構(gòu)

2、與性能及其在能源與生物領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行研究意義重大。
　　本論文采用鎂粉包覆的固態(tài)脫合金法，運(yùn)用放電等離子燒結(jié)技術(shù)(SPS)成功地制備了三維微納米多孔α-Ti。結(jié)果表明，Ti30Cu70母合金隨著SPS燒結(jié)溫度的提高與保溫時(shí)間的延長而逐漸致密。當(dāng)SPS燒結(jié)溫度為1053 K，保溫30 min，燒結(jié)壓力為80 MPa時(shí)，母合金的致密度已達(dá)99.54％。Ti30Cu70母合金薄片中Cu原子的殘余量隨著燒結(jié)溫度的提高與保溫時(shí)間的延長而逐漸

3、減少。鎂粉包覆薄片在873 K氬氣保護(hù)無壓燒結(jié)下，僅需保溫5 min，即可得到三維微納米多孔α-Ti。此外，研究表明，燒結(jié)壓力對孔隙率并沒有明顯得影響，但壓力的存在降低了多孔鈦的平均孔徑、孔徑分布及圓度值。
　　對微納米多孔α-Ti的脫合金過程及孔粗化動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:Mg粉包覆著Ti30Cu70薄片燒結(jié)時(shí)，擴(kuò)散過程中中間相的轉(zhuǎn)變?yōu)?致密的Ti30Cu70相——多孔TiCu相——多孔α-Ti相，從而逐漸形成三維微納米

4、多孔結(jié)構(gòu)。過渡層長大的激活能在104-128 KJ/mol之間，微納米多孔α-Ti相結(jié)構(gòu)的粗化是由界面反應(yīng)擴(kuò)散控制，其粗化的活化能遠(yuǎn)大于Ti原子表面自擴(kuò)散的活化能。通過N2吸附及壓汞測試分析可知，制備的微納米多孔α-Ti滿足第Ⅳ型吸附等溫曲線，納米孔的孔徑范圍主要集中在10nm以下，微米孔徑平均值為1.1μm，其比表面積在9.45-37.59 m2/g之間。通過改變原始母合金的成分得到了孔隙率在66.33％-84.15％的微納米多孔α-

5、Ti，得出用脫合金法制備微納米多孔α-Ti時(shí)，骨架金屬Ti的最佳含量為20 at％-50 at％之間。由納米壓痕結(jié)果可知，當(dāng)孔隙率由66.33％增加到84.15％時(shí)，硬度由628 MPa降至11.5 MPa，楊氏模量由7.649 GPa降至0.163 GPa。平均孔壁尺寸由523.4nm增加至649.8 nm時(shí)，多孔α-Ti的硬度由364.9MPa降至209 MPa，楊氏模量由7.08 GPa降至4.07 GPa。
　　通過電化學(xué)

6、沉積的方法在三維微納米多孔α-Ti上電鍍ε-MnO2，當(dāng)電流密度為60A/m2時(shí)，制備的多孔Ti/MnO2電極鍍層與基體的結(jié)合情況最好。通過C-V曲線計(jì)算，得到多孔Ti/MnO2電極的質(zhì)量比電容比致密Ti/MnO2電極高了56.25％，說明多孔Ti/MnO2電極是一種很具有潛力的超級電容器電極。此外，我們結(jié)合電鍍和脫合金法成功地在純鈦上制備了表面三維微納米多孔結(jié)構(gòu)，可以通過改變前驅(qū)體Ti-Cu的熱處理溫度從而改變微納米孔的形貌、孔徑。并