[发明专利]在钛或钛合金材料表面原位生长二氧化钛薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钛及钛合金材料表面改性领域，尤其是等离子体技术在钛及钛合金材料表面改性领域的应用，特别涉及用氧等离子体在钛及钛合金材料表面原位制备二氧化钛薄膜的方法。

背景技术

自1982年，Ward把TiO₂膜材料作为阳极，通过外加阳极偏压来阻止光生电子和空穴的简单复合，从而提高光催化活性（Ward, J.Phys. Chem.1982, 86, 3599-3605）以来，光电催化技术引起了人们广泛的关注。TiO₂半导体光电催化技术是将TiO₂覆盖在光电化学电池的阳极上，在紫外光照射TiO₂电极的同时在电极上外加偏压，使光激发产生的光电子通过外电路被驱赶到对电极上，阻止光电子和光生空穴的复合，并分别与H₂O₂或O₂反应生成具有强氧化能力的活性自由基来降解有机物的一种氧化技术。TiO₂具有良好的光电转换性能和光催化性能等优点，应用于太阳能电池，可以很大程度地提高光能吸收和光电转换能力；应用于环境污染控制，可以高效的氧化有机废物，因此TiO₂在太阳能电池、环境污染控制等方面得到国内外学者的广泛的研究，有非常好的应用前景。

目前TiO₂薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法、粉末涂覆法、电化学沉积法、水热合成法和低温制备方法及微等离子体氧化法等。溶胶-凝胶法是制备TiO₂薄膜常采用的方法，可以制得光电性能好的致密的薄膜，但是得到的膜层较薄，制备工艺较为繁琐，烧结过程温度控制较难。粉末涂敷法，可以得到较厚的膜层，所得电池的光电转换效率较高，但存在所得膜层存在与基体结合不牢固，重复性差的缺点。液相沉积法，制得的薄膜均匀致密，成膜过程不需热处理，设备简单，但膜层与基体结合不紧密，易脱落。电化学沉积法，包括阳极沉积法和阴极沉积法，所得薄膜的覆着性较好，膜厚可控，但不适宜大面积生产。水热合成法，得到薄膜质量稳定，是目前国内外在染料敏化太阳能电池领域中应用最为广泛的方法。水热合成法能直接制得结晶良好的粉体不需作高温灼烧处理避免了在此过程中可能形成的粉体硬团聚，而且通过改变工艺条件，可实现对粉体粒径、晶型等特性的控制，同时制得的粉体纯度高。然而，此法是高温、高压下的反应，对设备要求高，操作复杂，能耗较大，因而成本偏高。

总之，以上这些方法的过程均较为复杂，耗用时间较长，并且都需要在较高温条件下操作，20世纪90年代末期，人们开始研究低温制备TiO₂薄膜。低温制备方法避免了高温烧结过程，可实现大面积生产，制备成本较低，但是生成的薄膜厚度较小、与基体结合力较弱而且薄膜容易产生裂痕。微等离子体氧化技术近年来得到国内外研究者的重视，这种技术生成效率高，制备的氧化膜从钛基体上原位生长，提高了TiO₂膜层的综合性能，是一种有发展前途的TiO₂薄膜的制备方法。但是其采用的是较低电压（小于500V）、大电流，电能消耗大，且制备过程受电解质的影响也大。因此，研究一种操作简单、能耗低、无环境污染、适用范围广的钛基体原位生长TiO₂薄膜的制备方法是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是针对上述现有技术中存在的TiO₂薄膜制备方法操作复杂，耗能大，生成的薄膜厚度较小、与基体结合力较弱，受电解质影响等问题，提供一种在钛或钛合金材料表面原位生长二氧化钛的制备方法，且操作简单、耗能低、无环境污染，生成的薄膜厚度适宜且与基体结合力强。

为解决前述技术问题，本发明的目的之一是提供一种在钛或钛合金材料表面原位生长二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）钛或钛合金材料的预处理；

（2）将经过预处理的钛或钛合金材料放入高压脉冲放电反应器中，用钛或钛合金材料作为高压电极的阳极，用多针并联，或不锈钢板，或另一块经过预处理的钛或钛合金材料作为阴极；

（3）调节电极间距，通入氧气；

（4）接通高压脉冲电源，其中用钛或钛合金材料作为阳极，用多针并联，或不锈钢板做阴极的，则在钛或钛合金材料表面施加正高压脉冲；同时用钛或钛合金材料作为阳极和阴极的，则在两块钛或钛合金材料表面分别施加正负高压脉冲；

（5）控制由高压脉冲放电产生的氧等离子体的氧化时间；

即得到在一块或两块钛或钛合金表面原位生长的二氧化钛薄膜。