[发明专利]纯金红石相二氧化钛电致变色膜层的微弧氧化制备方法

说明书

技术领域

本发明属于电致变色材料制备的技术领域，涉及一种以钛或钛合金为原料，微弧氧化制备纯金红石相二氧化钛电致变色膜层的方法。

技术背景

微弧氧化技术生成的陶瓷膜层具有优越的耐磨性能，耐腐蚀性能，膜层热稳定性好，与基底结合牢固，并具有很强的绝缘性。因而被广泛应用于机械、医疗、航空航天等领域。在钛及其合金表面采用微弧氧化工艺，会生成一层致密的二氧化钛膜层，这种膜层不仅具备上述优点，更具有其他的化学特性(如催化作用)，使得微弧氧化的应用范围不仅局限于金属表面防护，更拓展到功能薄膜材料的领域。

电致变色是指材料的光学属性(反射率、透过率、吸收率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆的颜色变化的现象，在外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。具有电致变色性能的材料称为电致变色材料，目前制备电致变色材料的方法主要有：溶胶-凝胶法、电泳沉积法、离子镀法、脉冲准分子激光溅射沉积法、化学气相沉积法。采用微弧氧化方法制备电致变色薄膜的方法目前尚未有报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，采用微弧氧化方法生成二氧化钛电致变色膜层，工艺简单快速。

本发明的目的是这样实现的：以钛或其合金作为基体，采用微弧氧化的方法，在基体表面生成一层致密的电致变色氧化膜层。具体的是：

一种纯金红石相二氧化钛电致变色膜层的微弧氧化制备方法，以钛或钛合金为基底，以浓度为0.06～0.24mol/L的Al(OH)₃胶体为处理液；首先将基底表面打磨光洁，置入丙酮中超声波清洗，再用去离子水清洗后烘干；其次将基底连接微弧氧化电源的阳极后浸入处理液中，在阳极脉冲电压300～550V、脉冲频率1000Hz、脉冲占空比10％～40％条件下微弧氧化10～30分钟；最后取出基底水洗烘干，在基底表面制备出电致变色膜层。

表面产生的膜层为纯金红石相二氧化钛，具有电致变色特性，晶粒尺寸为20～50nm。实验结果表明，TiO₂膜层为纯金红石相；将带膜层的样品作为一个电极，与另一个电极一同置入氢离子溶液(如稀盐酸溶液)中，当膜层为负电位时，膜层会呈现均匀的蓝色；当膜层为正电位时，膜层会恢复白色。

二氧化钛膜层生成的主要反应方程式为：

Ti+4OH-TiO₂(rutile)+2H₂O。

在纯金红石相二氧化钛电致变色膜层的微弧氧化制备中，所述的基底，可以选择型号TA2的工业纯钛或型号TC4的钛合金。

制备过程中的脉冲占空比优选20％。

在纯金红石相二氧化钛电致变色膜层的微弧氧化制备中，所述的处理液，Al(OH)₃胶体适宜的浓度为0.12mol/L。

所述的处理液，可以按下述方法配制。

(1)通过铝酸钠和硫酸铝配置Al(OH)₃胶体：分别用去离子水配制铝酸钠和硫酸铝的水溶液，再将两种溶液混合并搅拌均匀，制得胶体处理液；其中铝酸钠和硫酸铝的摩尔比为6∶1，去离子水总用量按每0.03摩尔硫酸铝为1L计算。

用铝酸钠和硫酸铝配置Al(OH)₃胶体的反应方程式为：

6NaAlO₂+Al2(SO₄)₃+12H₂O＝3Na₂SO₄+8Al(OH)₃。

(2)通过氯化铝和氢氧化钠配置Al(OH)₃胶体：分别用去离子水配制氯化铝和氢氧化钠的水溶液，再将两种溶液混合并搅拌均匀，制得胶体处理液；其中氯化铝和氢氧化钠的摩尔比为1∶3，去离子水总用量按每0.15摩尔氯化铝为1L计算。

用氯化铝和氢氧化钠配置Al(OH)₃胶体的反应方程式为：

AlCl₃+3NaOH＝3NaCl+Al(OH)₃。

为了提高变色性能，可以在处理液中添加硅酸盐、磷酸盐或/和铝酸盐作为成膜剂。具体的是，硅酸钠、磷酸钠或/和铝酸钠，添加量按摩尔计各是硫酸铝或氯化铝的0.6～6倍。

本发明提供的纳米二氧化钛膜层的制备方法的优点：

(1)所用基底为钛或钛合金，对于基底纯度没有要求，取材容易。样品在制备前仅需要打磨清洗，预处理工艺简单。

(2)微弧氧化工艺简单，处理时间在30分钟以内，处理时间短。