Fabrication of nanotubular oxide layer on Ti–24Nb–4Zr–8Sn alloy by electrochemical anodization

• Autorzy: Matras A. , Roguska A. , Lewandowska M.

Identyfikatory

DOI

10.15199/28.2017.1.1

Warianty tytułu

PL

Nanorurkowe warstwy tlenkowe wytwarzane na stopie Ti–24Nb–4Zr–8Sn w procesie elektrochemicznej anodyzacji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Nanotubular oxide layer of TiO2 was fabricated by electrochemical anodization of Ti–24Nb–4Zr–8Sn alloy in electrolyte containing water, glycerin and ammonium fluoride. Physicochemical characterization was performed in order to evaluate the structural and chemical properties of obtained layer. Variable parameters such as voltage (10 V, 20 V and 30 V) and anodization time (10 min and 40 min) were applied to determine the influence of those factors on the morphology and chemistry of fabricated titania nanotubes. Scanning electron microscopy was used to assay the architecture of obtained nanotubular layer and the impact of anodization parameters on the produced structure. Chemical and structural analysis were conducted by energy dispersive X-ray spectroscopy coupled with scanning electron microscope and X-rays diffraction technique. Obtained results allowed to declare that morphology of the nanotubes depends on voltage applied and duration of the anodization. For higher voltage applied, the nanotubes with bigger diameter are obtained. For layers fabricated at 10 and 20 V, increase in anodization time results in obtaining more homogeneous oxide structure (the diameter distribution is narrow) as well as decrease of characteristic dimensions values (wall thickness and diameter). For structures anodized with 10 V, the average nanotubes diameter was 38 nm while for layer fabricated with 30 V, the average diameter was 101 nm. The most uniform nanotubular structure was fabricated by anodization at 20 V for 40 min. Chemical analysis revealed presence of such elements as titanium, oxygen, niobium and tin. However, thickness of the nanotubular oxide layer is about hundreds of nm, therefore additional examination need to be done to determine whether the nanotubes contains alloying elements (Nb or Sn) or the signal comes from the substrate. In general, the chemical composition of the anodized nanotubes corresponds to the composition of the substrate Ti2448 alloy.

PL

Elektrochemiczna anodyzacja jest prostą i uniwersalną metodą pozwalającą na otrzymywanie porowatych warstw tlenkowych o uporządkowanej strukturze na powierzchni różnych materiałów metalicznych, zarówno czystych metali, jak i stopów, w szczególności stopów tytanu. Preferowanymi stopami do utleniania anodowego są materiały jednofazowe, ponieważ nie ulegają niekorzystnemu selektywnemu rozpuszczaniu, które zachodzi dla stopów dwufazowych. W ciągu ostatnich kilku lat jednofazowe stopy β tytanu zyskiwały coraz większą popularność ze względu na połączenie dużej wytrzymałości, małej gęstości oraz dobrej odporności na korozję, wykazując przy tym bardzo dobre właściwości przetwórcze. W artykule scharakteryzowano nanorurkowe warstwy tlenkowe o uporządkowanej strukturze wytworzone w procesie elektrochemicznej anodyzacji na stopie Ti–24Nb–4Zr–8Sn w elektrolicie na bazie gliceryny zawierającym jony fluorkowe. Przeprowadzono charakterystykę fizykochemiczną w celu oceny właściwości strukturalnych i chemicznych otrzymanych warstw. Zastosowano zmienne parametry procesu wytwarzania, tj. napięcie i czas anodyzacji, w celu określenia ich wpływu na morfologię i właściwości nanorurkowych warstw tlenkowych.

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2017
• Tom: Vol. 38, nr 1
• Strony: 2--7
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Matras A.

• Faculty of Materials Science and Engineering, Warsaw University of Technology (WUT), Warsaw, Poland

autor

Roguska A.

• Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Sciences, Warsaw, Poland

autor

Lewandowska M.

• Faculty of Materials Science and Engineering, Warsaw University of Technology (WUT), Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Keller F., Hunter M. S., Robinson D. L.: Structural features of oxide coatings on aluminum. J. Electrochem. Soc. 100 (1953) 411÷419.
• [2] Ono S., Saito M., Asoh H.: Self-ordering of anodic porous alumina formed in organic acid electrolytes. Electrochim. Acta 51 (2005) 827÷833.
• [3] Park Y. J., Ha J. M., Ali G., Kim H. J., Addad Y., Cho S. O.: Controlled fabrication of nanoporous oxide layers on Zircaloy by anodization. Nanoscale Res. Lett. 10 (2015) 377÷384.
• [4] Tsuchiya H., Macak J. M., Ghicov A., Taveira L., Schmuki P.: Self-organized porous TiO2 and ZrO2 produced by anodization. Corros. Sci. 47 (2005) 3324÷3335.
• [5] Zwilling V., Aucouturier M., Darque-Ceretti E.: Anodic oxidation of titanium and TA6V alloy in chromic media. An electrochemical approach. Electrochim. Acta 45 (1999) 921÷929.
• [6] Macak J. M., Schmuki P.: Anodic growth of self-organized anodic TiO2 nanotubes in viscous electrolytes. Electrochim. Acta 52 (2006) 1258÷1264.
• [7] Sieber I., Hildebrand H., Friedrich A., Schmuki P.: Formation of selforganized niobium porous oxide on niobium. Electrochem. Commun. 7 (2005) 97÷100.
• [8] Karlinsey R. L.: Preparation of self-organized niobium oxide microstructures via potentiostatic anodization. Electrochem. Commun. 7 (2005) 1190÷1194.
• [9] Roy P., Berger S., Schmuki P.: TiO2 nanotubes: Synthesis and applications. Angew. Chemie — Int. Ed. 50 (2011) 2904÷2939.
• [10] Macak J. M., Tsuchiya H., Ghicov A., Yasuda K., Hahn R., Bauer S., Schmuki P.: TiO2 nanotubes: Self-organized electrochemical formation, properties and applications. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 11 (2007) 3÷18.
• [11] Macak J. M., Hildebrand H., Marten-Jahns U., Schmuki P.: Mechanistic aspects and growth of large diameter self-organized TiO2 nanotubes. J. Electroanal. Chem. 621 (2008) 254÷266.
• [12] Macak J. M., Tsuchiya H., Taveira L., Aldabergerova S., Schmuki P.: Smooth anodic TiO2 nanotubes. Angew. Chemie — Int. Ed. 44 (2005) 7463÷7465.
• [13] Lee S., Cho I. S., Lee J. H., Kim D. H., Kim D. W., Kim J. Y., Shin H., Lee J. K., Jung H. S., Park N. G., Kim K., Ko M. J., Hong K. S.: Twostep sol–gel method-based TiO2 nanoparticles with uniform morphology and size for efficient photo-energy conversion devices. Chem. Mater. 22 (2010) 1958÷1965.
• [14] Khudhair D., Bhatti A., Li Y., Hamedani H. A., Garmestani H., Hodgson P., Nahavandi S.: Anodization parameters influencing the morphology and electrical properties of TiO2 nanotubes for living cell interfacing and investigations. Mater. Sci. Eng. C. 59 (2016) 1125÷1142.
• [15] Ankem S., Greene C.: Recent developments in microstructure/property relationships of beta titanium alloys. Mater. Sci. Eng. A. 263 (1999) 127÷131.
• [16] Weiss I., Semiatin S. L.: Thermomechanical processing of alpha titanium alloys — an overview. Mater. Sci. Eng. A. 263 (1999) 243÷256.
• [17] Cai Q., Paulose M., Varghese O. K., Grimes C. A.: The effect of electrolyte composition on the fabrication of self-organized titanium oxide nanotube arrays by anodic oxidation. J. Mater. Res. 20 (2005) 230÷236.
• [18] Crawford G. A., Chawla N.: Tailoring TiO2 nanotube growth during anodic oxidation by crystallographic orientation of Ti. Scr. Mater. 60 (2009) 874÷877.
• [19] Varghese O. K., Gong D., Paulose M., Grimes C. A., Dickey E. C.: Crystallization and high-temperature structural stability of titanium oxide nanotube arrays. J. Mater. Res. 18 (2003) 156÷165.
• [20] Ghicov A., Aldabergenova S., Tsuchyia H., Schmuki P.: TiO2–Nb2O5 nanotubes with electrochemically tunable morphologies. Angew. Chemie — Int. Ed. 45 (2006) 6993÷6996.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).