一種鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，包括以下步驟：將預(yù)處理后的鈦合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不銹鋼電解槽中，以鈦合金為陽極，不銹鋼為陰極，進(jìn)行微弧氧化10～40min得到納米二氧化鈦陶瓷晶須。本發(fā)明提供的一種鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，可以制備得到結(jié)構(gòu)規(guī)整的納米二氧化鈦陶瓷晶須，晶須的橫截面呈規(guī)則的四方型或六方型，截面邊長15～40nm，長度可達(dá)300nm以上。本發(fā)明方法制備得到的納米二氧化鈦陶瓷晶須純度高、強(qiáng)度高，晶須的大小可調(diào)。本發(fā)明的方法步驟簡單，易操作，制備時間短，制備條件溫和易控制。
【專利說明】
-種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，具體屬于納 米二氧化鐵陶瓷晶須技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 晶須是由高純度單晶生長而成的納米級短纖維，可自然形成，也可在人工控制條 件下W單晶形式生長而成。由于其直徑非常小，原子排列高度有序，幾乎不含有通常材料中 存在的缺陷（晶界、位錯、空穴等），因而其強(qiáng)度接近于完整晶體的理論值。晶須不僅具有高 強(qiáng)度、高模量和高伸長率，而且還具有獨特的電、光、磁、介電等性質(zhì)。晶須是高技術(shù)領(lǐng)域的 新材料之一，主要用作復(fù)合材料的增強(qiáng)體，可顯著提高復(fù)合材料的強(qiáng)度。尤其是二氧化鐵晶 須在涂料、氣體傳感、光催化、太陽能電池等方面有重要的應(yīng)用。
[0003] 目前，Ti〇2晶須主要采用賠燒法和水熱合成法制備。賠燒法制備二氧化鐵晶須時， 首先制備鐵酸鐘，鐵酸鐘經(jīng)過離子交換得到水合鐵酸，然后賠燒水和鐵酸便可制得Ti化晶 須。賠燒法制備的晶須工序繁瑣，制備晶須的時間長達(dá)幾小時W上;且需要使用加熱設(shè)備在 高溫下進(jìn)行，能耗較大，而且制備的晶須缺陷多，強(qiáng)度較差。而水熱合成法制備晶須的時間 長達(dá)4小時左右，同樣需要在高溫高壓條件下進(jìn)行。因此，研究一種新的制取納米二氧化鐵 陶瓷晶須的方法顯得尤為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鐵合金微弧氧化制取納米二 氧化鐵陶瓷晶須的方法，制備條件溫和易控制。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：
[0006] -種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，包括W下步驟:將預(yù)處 理后的鐵合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不誘鋼電解槽中，W鐵合金為陽極，不誘鋼為陰 極，進(jìn)行微弧氧化10~40min得到納米二氧化鐵陶瓷晶須。
[0007] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的電解液， 是W水為溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比進(jìn)行混合制取得到：
[000引
[0009]
[0010] X納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的 電解液 化度配比進(jìn)行混合制取得到：
[0011]
[0012] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的電解液溫 度為25°C~35°C。
[0013] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的電流密度 為3~94/血2。
[0014] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的占空比為 20% ~50%。
[0015] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，微弧氧化的頻率為 lOOHz~400Hz。
[0016] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，鐵合金的型號為TC4。
[0017] 前述鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法中，預(yù)處理是指先將鐵合 金試樣拋光，隨后在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗10~20min即得。
[001引本發(fā)明中采用的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的微弧氧化系統(tǒng)(WHD-30型）。圖1是本發(fā) 明的微弧氧化系統(tǒng)的示意圖。由基座、電源、不誘鋼電解槽、攬拌器、溫度傳感器和冷卻系統(tǒng) 組成。在不誘鋼電解槽中放入本發(fā)明的微弧氧化電解液，將試樣置于不誘鋼電解槽中。不誘 鋼電解槽和試樣分別與電源相連接，進(jìn)行微弧氧化即可制得納米二氧化鐵陶瓷晶須。
[0019] 本發(fā)明中試樣選用型號為TC4的鐵合金，其化學(xué)成分如表1所示。
[0020] 表1 TC4鐵合金成分
[0021]
[0022]圖2是本發(fā)明的鐵合金試樣的示意圖。鐵合金試樣是由下端圓形和上端凸起組成 的片狀試樣，優(yōu)選下端圓形的半徑為16mm;上端凸起的兩側(cè)邊長為8.3mm，寬為8mm;試樣總 長度為39.79mm，厚度為3.12mm。
[0023] 本發(fā)明的電解液由KOH(氨氧化鐘）、化2Si〇3 (娃酸鋼）、（NaP〇3)6(六偏憐酸鋼）、N (C出C此OH) 3 (S乙醇胺）、化2B4O7 ? 10出0(四棚酸鋼）、NaF(氣化鋼）、Y(N03 )3 (硝酸錠）和邸TA (乙二胺四乙酸)在溶劑水中混合制備得到。選取一系列的電解液在同等條件下進(jìn)行微弧氧 化制取納米陶瓷晶須，所得結(jié)果如表2所示。
[0024] 表 2
[0025]
[0026] 由表2可知，（NaP〇3)6、Y(N〇3)3W及抓TA的加入，與Na2B4〇7 ? 10此0、化2Si〇3、化F、N (C此C出0H)3和K0H協(xié)同作用，能夠促進(jìn)晶須的生長，在同等條件下能夠使晶須的強(qiáng)度提高 20% ~22%。
[0027] 采用日本Rigaku-2500/PC型X射線衍射儀對經(jīng)過微弧氧化后的試樣進(jìn)行物相分 析，測試參數(shù)為：Cu-Ka祀，掃描角度20°~90°，掃描速度3Vmin，加速電壓40KV，燈絲電流 30mA，掠射角3%石墨單色器濾波。結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知，微弧氧化后試樣表面膜層 為Ti化相。
[0028] 通過本發(fā)明的方法制備的納米二氧化鐵陶瓷晶須，采用德國ZEISS公司研制的 SUPRA 55型掃描電子顯微鏡觀察納米二氧化鐵陶瓷晶須的形貌。如圖4和圖5所示。從圖中 可知，整個膜層僅有納米二氧化鐵，證明了晶須為納米二氧化鐵陶瓷晶須。所制備的納米二 氧化鐵晶須的橫截面呈規(guī)則的四方型或六方型，截面邊長15~40nm，長度達(dá)300nmW上。
[0029] 本發(fā)明的有益之處在于:本發(fā)明提供的一種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶 瓷晶須的方法，可W制備得到結(jié)構(gòu)規(guī)整的納米二氧化鐵陶瓷晶須，晶須的橫截面呈規(guī)則的 四方型或六方型，截面邊長15~40nm，長度可達(dá)3(K)nmW上。本發(fā)明方法制備得到的納米二 氧化鐵陶瓷晶須純度高，可達(dá)到99%，拉伸強(qiáng)度高達(dá)40GPaW上，晶須的大小可調(diào)。本發(fā)明的 方法步驟簡單，易操作，制備時間短，制備條件溫和易控制。
【附圖說明】
[0030] 圖1是本發(fā)明的微弧氧化系統(tǒng)示意圖；
[0031 ]圖2是本發(fā)明的鐵合金試樣的示意圖；
[0032] 圖3是陶瓷膜層的邸D圖；
[0033] 圖4是膜層表面的納米Ti化陶瓷晶須的沈M圖；
[0034]圖5是膜層孔內(nèi)的納米Ti化陶瓷晶須的沈M圖；
[00對圖中附圖標(biāo)記的含義：圖1:1-電源，2-試樣，3-不誘鋼電解槽，4-基座，5-攬拌器， 6-溫度傳感器，7-冷卻系統(tǒng)；圖3: a-Ti，b-Ti02。
【具體實施方式】
[0036] W下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹。
[0037] 實施例1
[0038] -種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，包括W下步驟:型號為 TC4的鐵合金試樣通過先拋光，隨后在無水乙醇中超聲清洗lOmin進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理后 的鐵合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不誘鋼電解槽中，W鐵合金為陽極，不誘鋼為陰極，在 25°C下進(jìn)行微弧氧化40min得到納米二氧化鐵陶瓷晶須。其中微弧氧化的電解液，是W水為 溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比進(jìn)行混合制取得到：
[0039]
123 微弧氧化的電參數(shù)為:電流密度為3AAlm2;占空比為20% ;頻率為lOOHz。 2
[0041 ] 實施例2 3 -種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，包括W下步驟:型號為 TC4的鐵合金試樣通過先拋光，隨后在無水乙醇中超聲清洗20min進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理后 的鐵合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不誘鋼電解槽中，W鐵合金為陽極，不誘鋼為陰極，在 35°C下進(jìn)行微弧氧化lOmin得到納米二氧化鐵陶瓷晶須。其中微弧氧化的電解液，是W水為 溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比進(jìn)行混合制取得到：
[0043]
[0044] 微弧氧化的電參數(shù)為:電流密度為9AAlm2;占空比為50% ;頻率為400Hz。
[0045] 實施例3
[0046] -種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，包括W下步驟:型號為 TC4的鐵合金試樣通過先拋光，隨后在無水乙醇中超聲清洗15min進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理后 的鐵合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不誘鋼電解槽中，W鐵合金為陽極，不誘鋼為陰極，在 30°C下進(jìn)行微弧氧化25min得到納米二氧化鐵陶瓷晶須。其中微弧氧化的電解液，是W水為 溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比進(jìn)行混合制取得到：
[0047]
[004引微弧氧化的電參數(shù)為:電流密度為6AAlm2;占空比為35% ;頻率為200Hz。
[0049] 實施例4
[0050] -種鐵合金微弧氧化制取納米二氧化鐵陶瓷晶須的方法，包括W下步驟:取鐵合 金試樣通過先拋光，隨后在無水乙醇中超聲清洗12min進(jìn)行預(yù)處理。將預(yù)處理后的鐵合金試 樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不誘鋼電解槽中，W鐵合金為陽極，不誘鋼為陰極，在28°C下進(jìn)行 微弧氧化32min得到納米二氧化鐵陶瓷晶須。其中微弧氧化的電解液，是W水為溶劑，各項 溶質(zhì)按照如下濃度配比進(jìn)行混合制取得到：
[0化1 ]
[0052] 微弧氧化的電參數(shù)為：電流密度為5AAlm2;占空比為45% ;頻率為300Hz。
【主權(quán)項】
1. 一種鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征在于:包括以下步 驟:將預(yù)處理后的鈦合金試樣，置于微弧氧化系統(tǒng)的不銹鋼電解槽中，以鈦合金為陽極，不 銹鋼為陰極，進(jìn)行微弧氧化10~40min得到納米二氧化鈦陶瓷晶須。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的電解液，是以水為溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比，進(jìn)行混合制取得到：3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的電解液，是以水為溶劑，各項溶質(zhì)按照如下濃度配比，進(jìn)行混合制取得到：4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的電解液溫度為25 °C~35 °C。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的電流密度為3~9A/dm2。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的占空比為20%~50%。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:微弧氧化的頻率為100Hz~400Hz。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:所述鈦合金的型號為TC4。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金微弧氧化制取納米二氧化鈦陶瓷晶須的方法，其特征 在于:所述預(yù)處理是指先將鈦合金試樣拋光，隨后在無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗10~20min即 得。
【文檔編號】C30B7/12GK106048730SQ201610614861
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月29日
【發(fā)明人】董允
【申請人】東北大學(xué)秦皇島分校