基于选区激光熔融法制备钛基复合材料及其电化学性能研究
发布时间：2021-12-18 02:28
钛基复合材料具有优异的化学稳定性、生物相容性与电化学活性,从而在生物医药、能量储存及转换等领域有着重要的应用前景。作为先进增材制造方法之一的选区激光熔融法为三维钛基复杂结构一体化的设计与制造提供了新思路。基于此,本文采用选区激光熔融方法分别制备不同复杂形状与高比表面积的钛基体。然后,对所制得的钛基体分别进行阳极氧化和丙酮退火处理来进一步提高钛基体的比表面积。最后,通过碳化、氮化以及负载催化剂等改性处理分别得到TiO2@C纳米管阵列、TiN纳米管阵列与Ni-Ni0.2Mo0.8N/TiO2@C微/纳米棒等钛基复合材料,分别研究了多巴胺浓度与热处理温度对TiO2@C纳米管阵列制备过程的影响;热处理温度对TiN纳米管阵列制备过程的影响;钼酸铵和硝酸镍浓度对Ni-Ni0.2Mo0.8N/TiO2@C微/纳米棒制备过程的影响。研究表明:（1）选区激光熔融方法制备的微米圆柱阵列钛基体与井字形钛基体分别经过90s化学抛光、阳极氧化处理30 min与450℃/3 h空气退火处理得到TiO2纳米管阵列,再将制得的TiO2纳米管阵列在0.1 mg·mL-1多巴胺溶液中浸渍12h经650℃/3 h碳化处理制...
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SLM制备晶格结构的工艺原理图[16]
?5蜂窝状晶格结构可以分为具有随机和非随机几何形状的结构。随机晶格结构在单元格的形状和大小上具有随机变化，而非随机或周期性的晶格结构具有重复的晶格结构，可以按其形状和大小进行分类[17]。Sing等[18]采用SLM方法制造周期性的蜂窝状晶格结构样品，并且周期性的蜂窝状晶格结构采用重复单元进行设计，该单元由圆形支杆和球形核组成。如图2所示。这些样品证明了SLM方法具有根据CAD设计不同形状的模型制备高精确度的蜂窝状晶格结构的能力以及制备的管状和盘状蜂窝状网格结构是具有各种形状和尺寸的多孔结构。图1.2.SLM方法制造的蜂窝状晶格结构的样品[18]Fig.1.2SamplesofcellularlatticestructuresfabricatedbySLMmethod[18]1.2一维纳米结构TiO2及其复合材料的制备与应用无机金属氧化物纳米材料由于具有独特的结构、导电性和催化性能受到了广大学者极大的兴趣。作为应用最广泛的金属氧化物之一，具有纳米结构的二氧化钛(TiO2)表现出独特的惰性表面和光学性质[19-20]。将TiO2纳米结构调控为一维纳米结构对其生理和电学特性有着重要的意义。与体相材料相比，一维TiO2纳米材料如纳米管与纳米线表现出较大的比表面积、优异的电荷传输性能、化学稳定性与机械性能。将TiO2与其他材料复合得到性能更优的TiO2复合材料，并有望在生物传感器、超级电容器、电催化制氢、太阳能电池和燃料电池等领域中应用[21-23]。1.2.1一维纳米结构TiO2的制备及应用目前，常用的TiO2纳米线与纳米管的制备方法均包括水热法与模板法。此外，在金属钛基表面进行阳极氧化法可制备具有高度有序结构的TiO2纳米管阵列。Zhang等[24]以TiO2粉末为原料，采用水热法在10mol·L-1NaOH溶液中进行200℃/24h制得TiO2纳米线。1998年Kasuga等[25]首次采用?
武汉科技大学硕士学位论文7空气中经450℃/3h退火处理得到的TNAs由无定形结构转换为锐钛矿。并且随阳极氧化处理电压的增加，得到TNAs的管径与管长也随之增加(图3)。图1.3不同电压(a)20V,(b)40V条件下处理2h制得TNAs的顶部与侧面SEM照片[34]Fig.1.3TopviewandsideviewSEMimagesoftheTNAspreparedatdifferentvoltagefor2h:(a)20V,(b)40V[34]电化学阳极氧化法可制备具有高度有序结构、高比表面积的TNAs。该方法具有高效和成本低的优点，制备的TNAs的管径和管长均可控，与Ti基材之间的粘合非常牢固，从而可作为自支撑材料使用以及有利于TNAs的重复使用。如果金属、无机或有机材料可以插入或覆于TiO2纳米管，那么在TiO2材料中可能引入一些新颖的特性，如导电性，电磁性或化学性质等。1.2.2一维纳米TiO2/碳复合材料的制备及应用于生物传感器电化学生物传感器因其具有简单性，可靠性，高选择性和高灵敏度，应用在环境和临床方面来检测和监控不同分析物例如神经递质，蛋白质，核酸和小分子等。在电极与电解液的界面上发生电荷转移过程，此高效电极是构成电化学生物传感器的核心，并在测试溶液中产生与被测试的分析物有关的电势和/或电流[35]。一维纳米结构TiO2具有高比表面积、优异的电荷传输性能与化学稳定性，但作为典型的半导体材料之一，TiO2具有较宽的带隙(3.2eV)，尤其是电子传输效率相对较低，从而影响光电化学性能[36]。碳由于具有电导率高，化学惰性，柔性的表面以及在水介质中的宽电位窗口而成为广泛使用的电化学电极材料之一[37]。以丙酮、乙二醇、丁酮与多巴胺等为碳源与TiO2纳米线/管进行复合来提高一维纳米结构TiO2表面上的电子传输能力和催化活性，从而有效地促进电子的传输，并选择性地检测生物分子。因此一维纳米
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛及钛合金激光选区熔化技术的研究进展[J]. 李俊峰,魏正英,卢秉恒. 激光与光电子学进展. 2018(01)
本文编号：3541442
【文章来源】：武汉科技大学湖北省
【文章页数】：111 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SLM制备晶格结构的工艺原理图[16]
?5蜂窝状晶格结构可以分为具有随机和非随机几何形状的结构。随机晶格结构在单元格的形状和大小上具有随机变化，而非随机或周期性的晶格结构具有重复的晶格结构，可以按其形状和大小进行分类[17]。Sing等[18]采用SLM方法制造周期性的蜂窝状晶格结构样品，并且周期性的蜂窝状晶格结构采用重复单元进行设计，该单元由圆形支杆和球形核组成。如图2所示。这些样品证明了SLM方法具有根据CAD设计不同形状的模型制备高精确度的蜂窝状晶格结构的能力以及制备的管状和盘状蜂窝状网格结构是具有各种形状和尺寸的多孔结构。图1.2.SLM方法制造的蜂窝状晶格结构的样品[18]Fig.1.2SamplesofcellularlatticestructuresfabricatedbySLMmethod[18]1.2一维纳米结构TiO2及其复合材料的制备与应用无机金属氧化物纳米材料由于具有独特的结构、导电性和催化性能受到了广大学者极大的兴趣。作为应用最广泛的金属氧化物之一，具有纳米结构的二氧化钛(TiO2)表现出独特的惰性表面和光学性质[19-20]。将TiO2纳米结构调控为一维纳米结构对其生理和电学特性有着重要的意义。与体相材料相比，一维TiO2纳米材料如纳米管与纳米线表现出较大的比表面积、优异的电荷传输性能、化学稳定性与机械性能。将TiO2与其他材料复合得到性能更优的TiO2复合材料，并有望在生物传感器、超级电容器、电催化制氢、太阳能电池和燃料电池等领域中应用[21-23]。1.2.1一维纳米结构TiO2的制备及应用目前，常用的TiO2纳米线与纳米管的制备方法均包括水热法与模板法。此外，在金属钛基表面进行阳极氧化法可制备具有高度有序结构的TiO2纳米管阵列。Zhang等[24]以TiO2粉末为原料，采用水热法在10mol·L-1NaOH溶液中进行200℃/24h制得TiO2纳米线。1998年Kasuga等[25]首次采用?
武汉科技大学硕士学位论文7空气中经450℃/3h退火处理得到的TNAs由无定形结构转换为锐钛矿。并且随阳极氧化处理电压的增加，得到TNAs的管径与管长也随之增加(图3)。图1.3不同电压(a)20V,(b)40V条件下处理2h制得TNAs的顶部与侧面SEM照片[34]Fig.1.3TopviewandsideviewSEMimagesoftheTNAspreparedatdifferentvoltagefor2h:(a)20V,(b)40V[34]电化学阳极氧化法可制备具有高度有序结构、高比表面积的TNAs。该方法具有高效和成本低的优点，制备的TNAs的管径和管长均可控，与Ti基材之间的粘合非常牢固，从而可作为自支撑材料使用以及有利于TNAs的重复使用。如果金属、无机或有机材料可以插入或覆于TiO2纳米管，那么在TiO2材料中可能引入一些新颖的特性，如导电性，电磁性或化学性质等。1.2.2一维纳米TiO2/碳复合材料的制备及应用于生物传感器电化学生物传感器因其具有简单性，可靠性，高选择性和高灵敏度，应用在环境和临床方面来检测和监控不同分析物例如神经递质，蛋白质，核酸和小分子等。在电极与电解液的界面上发生电荷转移过程，此高效电极是构成电化学生物传感器的核心，并在测试溶液中产生与被测试的分析物有关的电势和/或电流[35]。一维纳米结构TiO2具有高比表面积、优异的电荷传输性能与化学稳定性，但作为典型的半导体材料之一，TiO2具有较宽的带隙(3.2eV)，尤其是电子传输效率相对较低，从而影响光电化学性能[36]。碳由于具有电导率高，化学惰性，柔性的表面以及在水介质中的宽电位窗口而成为广泛使用的电化学电极材料之一[37]。以丙酮、乙二醇、丁酮与多巴胺等为碳源与TiO2纳米线/管进行复合来提高一维纳米结构TiO2表面上的电子传输能力和催化活性，从而有效地促进电子的传输，并选择性地检测生物分子。因此一维纳米
【参考文献】：
期刊论文
[1]钛及钛合金激光选区熔化技术的研究进展[J]. 李俊峰,魏正英,卢秉恒. 激光与光电子学进展. 2018(01)
本文编号：3541442
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