多孔阳极氧化钛纳米管的制备和自组织过程的研究

摘要

为了制备规整有序的多孔阳极氧化钛纳米管(Porous Anodic Titania Nanotubes，PATNT)阵列，探讨多孔阳极氧化钛纳米管的自组织过程，本文利用电化学阳极氧化法在不同条件下制备了多孔阳极氧化钛纳米管。利用扫描电子显微镜(SEM)和电化学阳极氧化的电压-时间(V-t)和电流-时间(I-t)曲线的测试系统对多孔阳极氧化钛纳米管的形貌和阳极氧化过程进行了表征。
　　 本文分别从钛基体的预处理工艺、氧化时间、电解液温度、氧化电压、电流密度、电解液浓度等多个方面对多孔阳极氧化钛纳米管的自组织过程进行了系统的研究，分析多孔阳极氧化钛纳米管的形成过程和自组织机理。结果表明，经过化学抛光的钛片阳极氧化得到的多孔阳极氧化钛纳米管更加规整有序;随着阳极氧化时间的增长，纳米管的管长和管径有增加的趋势，有序性也随之增加。当电解液温度在60℃以内时，随着电解液温度的升高，纳米管的管长和管径不断增大;电解液温度低于5℃时，纳米管表面会形成一层氧化物，不利于对纳米管的观察;电解液温度超过60℃时，纳米管的表面形貌会被化学腐蚀破坏。当阳极氧化电压不超过80V时，随着阳极氧化电压的增大，纳米管的管长和管径不断增大;阳极氧化电压低于10V时，纳米管的生长速率很低且有序性变差;阳极氧化电压超过80V时，纳米管容易发生击穿，有序性也会下降。当电解液的浓度不超过1wt％时，电解液的浓度越高，形成的孔径越大;电解液的浓度低于0.1wt％时，无法形成规整的纳米管;电解液的浓度超过1wt％时，纳米管容易被化学腐蚀破坏。
　　 最后本文研究了二次氧化工艺对多孔阳极氧化钛纳米管形貌的影响。结果表明，一次氧化预留的凹坑对二次氧化形成的纳米孔道有一定的指导作用，通过二次氧化可以制备表面形貌相对平整，管壁光滑，高度有序的纳米管阵列，当二次阳极氧化电压低于一次阳极氧化电压时，本文得到藕型的纳米结构，并对这种藕型结构的形成过程提出了新的解释。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 多孔阳极氧化钛纳米管的研究背景及其研究意义

1．2 PATNT自组织机理的研究现状

1．2．1 酸性场致溶解理论下的自组织模型

1．2．2 等电场下的自组织模型

1．2．3 离子扩散下的自组织模型

1．2．4 阻挡层击穿理论下的自组织模型

1．2．5 体积膨胀理论下的自组织模型

1．2．6 管道融合的自组织模型

1．2．7 氧气气泡模具理论下的自组织模型

1．3 本文的研究目标和研究内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究内容

2 钛阳极氧化的实验装置和基本表征手段

2．1 实验原料和实验设备

2．2 实验步骤

2．3 阳极氧化工艺

3 钛的预处理工艺对PATNT自组织的影响

3．1 引言

3．2 不同预处理后钛的表面形貌

3．2．1 带天然氧化膜钛的表面形貌

3．2．2 化学抛光钛的表面形貌

3．3 钛预处理工艺对PATNT自组织的影响

3．3．1 带天然氧化膜的钛阳极氧化后的表面形貌

3．3．2 化学抛光的钛阳极氧化后的表面形貌

3．4 本章小结

4 阳极氧化时间对PATNT自组织的影响

4．1 阳极氧化时间对自组织影响的传统观点

4．2 阳极氧化时间对PATNT表面形貌的影响

4．3 氧化时间对PATNT自组织过程的影响

4．4 本章小结

5 电解液温度对PATNT白组织的影响

5．1 电解液温度对自组织影响的传统观点

5．2 电解液温度对PATNT孔径和管长的影响

5．3 电解液温度对PATNT有序度的影响

5．4 电解液温度对阳极氧化曲线的影响

5．5 本章小结

6 阳极氧化电压和电流密度对PATNT自组织的影响

6．1 阳极氧化电压对自组织的影响

6．1．1 氧化电压对自组织的传统观点

6．1．2 氧化电压对PATNT管径和管长的影响

6．1．3 氧化电压对阳极氧化过程中电流的影响

6．2 电流密度对PATNT自组织的影响

6．2．1 电流密度自组织影响的传统观点

6．2．2 电流密度对阳极氧化过程中电压的影响

6．2．3 电流密度对PATNT自组织的影响

6．3 本章小结

7 电解液浓度对PATNT自组织的影响

7．1 电解液浓度对自组织影响的传统观点

7．2 电解液浓度对PATNT表面形貌和结构的影响

7．3 电解液浓度对阳极氧化曲线的影响

7．4 本章小结

8 二次氧化对PATNT自组织的影响

8．1 二次氧化的实验部分

8．2 二次氧化对纳米管形貌和自组织的影响

8．2．1 预备阳极氧化

8．2．2 第二阶段的阳极氧化

8．3 藕型纳米结构的形成机制

8．4 本章总结

9 本文结论和特色及工作展望

9．1 本文结论

9．2 本文特色

9．3 工作展望

致谢

参考文献

附录