簡述微弧氧化的一些特性

摘 要：在陽極氧化基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的微弧氧化，其制備方法簡單，操作方便可控，并且對環(huán)境的污染極小，近年來引起了國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，文章介紹了微弧氧化特性、應(yīng)用的領(lǐng)域、技術(shù)特點(diǎn)，微弧氧化膜層與其他膜層相比的優(yōu)越性及膜層的適用領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：微弧氧化；特性；微弧氧化膜層；應(yīng)用領(lǐng)域

微弧氧化是在陽極氧化的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的，別名陽極火花沉積、微等離子氧化，仍然屬于電化學(xué)的范疇，其處理方法是將試樣（鋁、鈦、鎂等金屬）或這些金屬的合金放置于根據(jù)需求調(diào)配好的電解液中，利用電化學(xué)原理，使試樣表面產(chǎn)生空洞并火花放電，最終制備出成分均勻的微弧氧化膜，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是處于高電壓下，通常都是數(shù)百伏以上，而陽極氧化的電壓一般在幾十伏以下，而電壓與電流成正比，這就決定了微弧氧化的電流大，往往是數(shù)安以上，實(shí)驗(yàn)過程不斷有火花放電，在高電壓、高溫度及氧化反應(yīng)的綜合作用下最終在試樣表層形成了孔隙疏松的薄膜。

這門技術(shù)是電化學(xué)脈沖、陽極氧化的結(jié)合及升級，由于微弧氧化膜的形成是從底材上進(jìn)行生長，與底材結(jié)合非常緊密，不會(huì)輕易脫落，有數(shù)據(jù)顯示其結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到56MPa左右，提高了其使用過程中的耐磨性及抗腐蝕能力，除此之外，微弧氧化的投入成本低，操作工藝簡單，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的成本也很少，對工件的形狀要求低，完成周期短，實(shí)驗(yàn)過程中只需3～5min就可以制得微弧氧化膜，既節(jié)約了時(shí)間又節(jié)省了成本，而制得的表面具有提高材料耐磨強(qiáng)度、耐腐蝕性，并能保持絕緣等一系列優(yōu)點(diǎn)。

如果將微弧氧化應(yīng)用于陶瓷上，那么制備出的陶瓷體內(nèi)部仍然為致密體，表層為多孔狀，如果通過對電解液的成分加以調(diào)整，可以增加人體組織中缺少的鈣、磷的元素，這對于鈦及其合金在生物材料方向的應(yīng)用及前進(jìn)有明顯的助力，由微弧氧化作用材料使得其表層產(chǎn)生空洞，粗糙度增大，而恰恰是這種空洞結(jié)構(gòu)非常有利于骨細(xì)胞生長，促進(jìn)假體鈦基和人體更好的融合在一起，減少了假體的磨損性及由于運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的脫落，假體的使用時(shí)間延長，現(xiàn)在這門新興的技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。

微弧氧化技術(shù)是在陽極氧化及電化學(xué)綜合基礎(chǔ)上的一次升級，是一門新的具有突破性的技術(shù)，微弧氧化的電壓高達(dá)上百伏，而電壓和電流成正比，在高電壓下其電流自然也增加，微弧氧化的過程是處在火花放電區(qū)域，在高電壓的作用下，材料表層空隙膜均勻，比面積低，金屬在電化學(xué)過程中同時(shí)經(jīng)歷高電壓、大電流，這種綜合作用等同表層材料經(jīng)歷了高溫高壓，所以最終得到的孔隙膜物理化學(xué)性能更加優(yōu)異，在實(shí)驗(yàn)的過程中，可以肉眼觀察到放電、火花、輝光等現(xiàn)象，試樣表層在經(jīng)歷過微弧氧化的技術(shù)處理后，其相結(jié)構(gòu)發(fā)生了重大改變。此外，微弧氧化技術(shù)對材料的形狀要求不高，對于空心試件甚至形狀不規(guī)則或較為復(fù)雜的試件均可進(jìn)行氧化鍍膜，其原因在于原液離子受到電場力的影響作用從而會(huì)均勻覆蓋于基層表面。

微弧氧化第二大特征是制得的產(chǎn)品表層有空洞，粗糙度高，但基底緊實(shí)，這種質(zhì)地粗糙的有空洞的表層非常有利于骨細(xì)胞的生長與附著，有助于假體與人體骨的融合，從材料體側(cè)面觀察可以將表層膜分三部分，最外層稱為疏松層，疏松層的質(zhì)地較硬，主要是經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)的沉積物附著而成，直觀表現(xiàn)為孔洞，粗糙度很高，如果產(chǎn)品要求提高產(chǎn)品表面粗糙度，可直接通過拋光等手法對疏松層進(jìn)行打磨，或者通過調(diào)節(jié)電壓參數(shù)來控制孔洞的大??；中間層為致密層，相對于疏松層，孔洞尺寸明顯變小，直徑保持在10um以下，成相主要表現(xiàn)為金紅石型二氧化鈦，也有少量的銳鈦礦存在，致密層的硬度較高，耐磨性能好，對于采用微弧氧化的假體來說，致密層可以起到隔離假體與體液的接觸，同時(shí)起到一定的提高疲勞磨損的作用，進(jìn)一步提升了假體壽命；最內(nèi)層是界面層，界面層表現(xiàn)為復(fù)雜相，其成分為金屬與電化學(xué)沉積的混合體，微弧氧化有非常重要的特點(diǎn)是氧化膜層的成分及其性質(zhì)可以通過調(diào)配電解液來控制，針對不同組分不同比例的電解液最終得到的人們所需的氧化膜層，比如制備一些具有修飾功能的膜層，通過改變電解液成分還能得到一些阻隔溫度層膜、絕緣層膜等，將其應(yīng)用的范圍擴(kuò)展至醫(yī)藥、光催化等領(lǐng)域，比如在人體的鈦合金假體組織的膜層中加入鈣，可提高生物活性，延長假體壽命[2]。

除此之外，微弧氧化技術(shù)及其膜層具有許多其他膜層無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，總結(jié)如下：

（1）孔隙率極低，從而微弧氧化膜具有抗腐蝕的性能及較好的絕緣性；

（2）在溫度較高時(shí)會(huì)發(fā)生相變，相變后膜層的硬度、耐磨性提高；

（3）可以改變操作工藝及控制電解液成分設(shè)計(jì)出滿足需求的氧化膜，增加了它的應(yīng)用性能；

（4）膜層直接在基底上生長，對于形狀復(fù)雜的構(gòu)建仍然適用；

（5）可以通過氧化時(shí)間來控制氧化層厚度，通過調(diào)整電壓或電流來調(diào)控孔徑的大??；

（6）反應(yīng)速度較快，對環(huán)境要求極低，在自然常溫下就可以進(jìn)行，操作工藝步驟少，方便批量生產(chǎn)；

（7）大多數(shù)金屬材料都可以進(jìn)行微弧氧化；

（8）不會(huì)對周圍的環(huán)境造成污染。

前文提到利用微弧氧化技術(shù)可以制備出具有不同功效的膜層，其應(yīng)用領(lǐng)域主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：制備出的具有耐蝕性能的膜層多用于化學(xué)設(shè)備、建筑、管道等，制備出的具有耐磨性能的膜層多用于機(jī)械領(lǐng)域、發(fā)動(dòng)機(jī)部件等，制備出的具有絕緣功能的膜層多用于儀器儀表等電子領(lǐng)域，還有一些膜層具有特定的功能性適用于光催化、醫(yī)療器材等領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]Imazato S. Antibacterial Properties of Resin Composites and Dentin Bonding Systems. Dent Mater， 2003， 19： 449-457.

[2]LH Li，YM Kong，HW Kim，et al. Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation. Biomaterials. 2004，25（14）：2867-2875.

作者簡介：羅錦潔（1986-），女，漢族，四川儀隴人，單位：重慶三峽學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，碩士，助教，主要研究方向：材料表面改性。