一种纳米多孔钛的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纳米多孔钛的制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米多孔材料自问世以来，由于其具有诸多优异性能而受到了极大的关注。现已通过实验证明纳米多孔材料在光催化、化学催化、电极材料、活化、传感、选择性过滤、减震降噪、环境保护、表面增强拉曼散射(SERS)等领域拥有巨大的潜在应用价值，这些都归功于纳米多孔材料极大比表面积和其具有的独特的孔道结构。
[0003]目前研究较多的是利用相应的合金作为前驱体，通过去合金化的方法制备具有纳米尺度的Pt、Au、Ag、等贵重金属的多孔材料。近几年来，出于经济上的考虑，一些材料工作者开始转而利用非贵金属合金制备相应的纳米多孔材料，例如np-Cu，np-Ni，np-Pb、np-Nb、np-Mn等。现有的去合金化法制备纳米多孔材料所使用的前驱体多为固溶体，而对单相的金属间化合物研究较少，而且现有的研究成果注重于对其三维多孔结构的形成规律和电化学性能的分析，对于纳米多孔结构的形成机理多从扩散的角度予以解释，而对前驱体合金在去合金化过程中的晶体结构转变并没有太多深入的研究。绝大多数利用去合金化法制备纳米多孔材料还仅仅局限于实验室研究，没有实现工程应用。
【发明内容】
[0004]本发明是要解决现有制备方法较复杂且成本高，不利于工程应用的问题，而提供一种纳米多孔钛的制备方法。
[0005]本发明一种纳米多孔钛的制备方法具体是按以下步骤进行:
[0006]—、制备前驱体:将TixAly金属间化合物前驱体采用线切割和预磨机磨制进行处理，得到厚度为10 μ m?200 μ m的去合金试样；
[0007]二、去合金化:将步骤一中得到的厚度为10 μπι?200 μπι的去合金试样进行去合金化处理，得到去合金化后的试样；
[0008]三、后续处理:将去合金化后的试样取出，先用去离子水反复冲洗，共冲洗120?150s，然后再放入无水乙醇中，利用超声波清洗Smin?lOmin，以移除残留的其它杂质附着物，将湿润状态下的试样放入真空干燥箱中，干燥5h?8h，即可得到纳米多孔钛。
[0009]本发明的原理:本发明是利用Ti3Al、TiAl, TiAl3金属间化合物作为前驱体，通过去合金化的方法制备纳米多孔钛，主要有两个创新点。创新点一是采用单相的金属间化合物而不是固溶体作为前驱体，特别是利用Ti3Al、TiAUTiAl3=种金属间化合物制备纳米多孔钛还没有文献报道；创新点二是与贵金属相比，Ti是“贱”金属，比较经济，与其它非贵金属相比，Ti的密度小、耐蚀性能好。纳米多孔钛在催化、传感、气体储存和吸附等方面具有十分优良的性能。
[0010]生物相容性是钛及钛合金特有的性质，但是致密的钛或钛合金的弹性模量与自然骨骼不匹配，且其抗拉强度、抗压强度和抗弯强度都比人骨高得多，会导致载荷不能由植入体很好的传入相邻的骨骼组织，形成应力屏蔽，造成植入体周围出现骨应力吸收现象，最终导致植入体的松动和断裂。而通过去合金化将致密钛变成具有纳米多孔结构的钛，可以使植入体更加接近于人骨的强度和弹性模量，独特的纳米多孔结构有利于成骨细胞的粘附、增殖和分化，促使新骨组织长入孔隙，使植入体与骨之间形成生物固定，并最终形成一个整体。
[0011]本发明的有益效果:本发明过程简单，实验设备及原材料易得，实验条件容易控制；传统的贵金属相比较，钛属于“贱”金属，因此与其它贵金属多孔材料相比，纳米多孔钛可以有效地降低成本；其它“贱”金属相比，钛具有比强度高，耐蚀性能好等优点，因此纳米多孔钛可以应用于酸碱等恶劣的环境中。钛及钛合金是极好的生物材料，而纳米多孔钛在医学领域具有更为广阔的应用前景；将纳米多孔钛做成超级电容器，发现其比电容高达38.5F/g0
【附图说明】
[0012]图1为实施例一得到的纳米多孔钛的表面形貌图；
[0013]图2为实施例二得到的纳米多孔钛的表面形貌图；
[0014]图3为实施例五得到的纳米多孔钛的表面形貌图；
[0015]图4为实施例六得到的纳米多孔钛的表面形貌图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:本实施方式一种纳米多孔钛的制备方法具体是按以下步骤进行:
[0017]—、制备前驱体:将TixAly金属间化合物前驱体采用线切割和预磨机磨制进行处理，得到厚度为10 μ m?200 μ m的去合金试样；
[0018]二、去合金化:将步骤一中得到的厚度为10 μπι?200 μπι的去合金试样进行去合金化处理，得到去合金化后的试样；
[0019]三、后续处理:将去合金化后的试样取出，先用去离子水反复冲洗，共冲洗120s?150s，然后再放入无水乙醇中，利用超声波清洗Smin?lOmin，以移除残留的其它杂质附着物，将湿润状态下的试样放入真空干燥箱中，干燥5h?8h，即可得到纳米多孔钛。
[0020]本实施方式步骤一中所述TixAly金属间化合物前驱体是通过对纯Al和纯Ti进行铸造、锻造、乳制和甩带制得的。
[0021]本实施方式步骤二中所述去合金化也叫选择性腐蚀，是指组成合金的各元素或各相之间的电位差相差较大，通过化学或电化学作用，将相对活泼的合金元素溶解掉，而剩余的惰性元素通过原子的扩散、自重组作用，形成具有纳米尺度的三维、连续、开口的多孔结构。对于T1-Al系合金而言，通过查询标注电极电位手册可以确定，Al的氢标电势为-2.300V，而在碱性溶液中，通过计算可以得出Ti的氢标电势为-0.882V，可见Ti与Al两种元素间具有较大的电极电位差值，满足去合金化发生的条件，因此通过化学去合金化处理或电化学去合金化处理的方法都可以获得纳米多孔钛。
[0022]本实施方式过程简单，实验设备及原材料易得，实验条件容易控制；传统的贵金属相比较，钛属于“贱”金属，因此与其它贵金属多孔材料相比，纳米多孔钛可以有效地降低成本；其它“贱”金属相比，钛具有比强度高，耐蚀性能好等优点，因此纳米多孔钛可以应用于酸碱等恶劣的环境中。钛及钛合金是极好的生物材料，而纳米多孔钛在医学领域具有更为广阔的应用前景；将纳米多孔钛做成超级电容器，发现其比电容高达38.5F/g。
[0023]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤一所述属间化合物为Ti3Al、TiAl或TiAl3。其它与【具体实施方式】一相同。
[0024]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:步骤二中所述去合金化处理是将步骤一中得到的厚度为10 μπι?200 μπι的去合金试样放在腐蚀液中进行化学去合金化处理；所述腐蚀液为浓度为0.lmol/L?lOmol/L的酸性溶液或浓度为
0.lmol/L?lOmol/L的碱性溶液，去合金化处理的温度为15°C?95°C，去合金化处理的时间为2h?120h。其它与【具体实施方式】一或二相同。
[0025]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】三不同的是:所述腐蚀液为浓度为lmol/L?5mol/L的酸性溶液；所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO 3溶液。其它与【具体实施方式】三相同。
[0026]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】三至四不同的是:所述腐蚀液为浓度为lmol/L?5mol/L的碱性溶液；所述碱性溶液为NaOH溶液或KOH溶液。其它与【具体实施方式】三至四相同。
[0027]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一至五之一不同的是:步骤二中所述去合金化处理是将步骤一中得到的厚度为10 μ m?200 μ m的去合金试样放在电解液中通以-2.5V?3V的电压进行电化学去合金化处理；所述电解液为浓度为0.1mol/L?10mol/L的酸性溶液、浓度为0.lmol/L?10mol/L的碱性溶液或浓度为0.lmol/L?1moI/L的中性溶液，去合金化处理的温度为15°C?95°C，去合金化处理的时间为5min?360min。其它与【具体实施方式】一至五之一相同。
[0028]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】六不同的是:所述电解液为浓度为lmol/L?5mol/L的酸性溶液、浓度为lmol/L?5mol/L的碱性溶液或浓度为lmol/L?5mol/L的中性溶液。其它与【具体实施方式】六相同。
[0029]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】六或七不同的是:所述酸性溶液为HCl溶液、H2SO4溶液或HNO 3溶液。其它与【具体实施方式】六或七相同。
[0030]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】六至八之一不同的是:所述碱性溶液为NaOH溶液或KOH溶液。其它与【具体实施方式】六至八之一相同。
[0031]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】六至九之一不同的是:所述中性溶液为NaCl溶液。其它与【具体实施方式】六至九之一相同。
[0032]通过以下实施例验证本发明的有益效果:
[0033]实施例一:一种纳米多孔钛的制备方法具体是按以下步骤进行:
[0034]—、制备前驱体:将Ti3Al金属间化合物前驱体采用线切割成直径为10mm，厚度为400 μπι的薄片，然后分别用800#、2000#砂纸打磨，再用机械抛光将试样表面抛至光亮，得到厚度为100 μπι的去合金试样；
[0035]二、去合金化:将步骤一中得到的厚度为ΙΟΟμπι的去合金试样放在腐蚀液中进行化学去合金化处理；所述腐蚀液为浓度为lmol/L的NaOH溶液，去合金化处理的温度为25°C，去合金化处理的时间为120h，得到去合金化后的试样；
[0036]三、后续处理:将去合金化后的试样取出，先用去离子水反复冲洗，共冲洗120s，然后再放入无水乙醇中，利用超声波清洗8min，以移除残留的其它杂质附着物，将湿润状态下的试样放入真空干燥箱中，干燥8h，即可得到纳米多孔钛。
[0037]图1为实施例一得到的纳米多孔钛的表面形貌图；从图中可以看出纳米多孔钛的表面形貌类似于韧窝断裂的断口，但是每个韧窝内均有纳米级的孔洞，孔径在10?120nm不等。
[0038]实施例二:一种纳米多孔钛的制备方法具体是按以下步骤进行:
[0039]—、制备前驱体:将Ti3Al金属间化合物前驱体采用线切割成直径为10mm，厚度为400 μπι的薄片，然后分别用800#、2000#砂纸打磨，再用机械抛光将试样表面抛至光亮，得到厚度