摘要
钛纤维在继承了钛合金高比强度、耐蚀性好等优点，同时由于其多孔结构，又常被应用在吸声降噪、过滤净化等领域。钛纤维表面进行微弧氧化可以形成TiO2陶瓷膜层，改善其耐蚀耐磨性能，同时具有一定的光催化功能，可以提升钛纤维的净化效率。钛纤维在微弧氧化过程中会产生放电集中的现象，导致基体在局部发生“过溶解”，使得膜层“过生长”到“溶坑”内部，在基体和膜层界面过早萌生裂纹，影响了膜层的力学性能。 因此，本文在恒流条件下，研究了不同终止电压（280 V-450 V）下局部集中放电对钛纤维基体局部“过溶解”和膜层“过生长”的影响。对微弧氧化后的钛纤维进行了弯折和拉伸实验，根据膜层表面的裂纹密度和剥落面积探讨了“过生长”行为对膜层粘附性的影响机理，并建立了钛纤维表面微弧氧化膜层“过生长”的有限元模型，研究了“过溶坑”缺陷对钛纤维在拉应力下的力学响应。同时通过Cr(VI)的催化降解试验研究了不同电压下制备的膜层对催化效率的影响规律。 研究结果表明，随着终止电压的升高，钛纤维表面膜层厚度从2.1μm增加到9.1μm，表面的孔径受放电火花的影响也逐渐增大，从0.51 μm增大到1.62 μm。同时，TiO2膜层提升了钛纤维表面的亲水性，且随着电压的升高润湿角从101o降低到57o表现出更强的亲水性。此外，基于对截面形貌的分析，发现在更高电压下，更大的集中放电火花使钛纤维基体发生大量的局部“过溶解”，伴随着更多的膜层“过生长”到基体内，使得纤维和膜层间的界面向着“锯齿状”转变。 膜层“过生长”缺陷导致膜层中的残余应力集中，在变形时为裂纹萌生和扩展提供了驱动力，使得膜层表面的裂纹密度和剥落面积均与膜层“过生长”尺寸呈正相关，在弯折试验中电压为420 V和450 V的膜层发生完全剥落，而280 V和320 V膜层只出现开裂和局部剥落的现象。在拉伸试验中裂纹从带有“过溶解”缺陷的界面底部传播到基体内部，导致试样的拉伸强度相比原始纤维显著降低，钛纤维的抗拉强度和伸长率随着基体“过溶解”尺寸变大持续降低。此外，随着终止电压的升高，膜层中亚稳态的锐钛矿相TiO2部分转变为热稳态的金红石相TiO2，使得膜层光催化效率显著降低，电压为450 V的催化效率仅为280 V的56%。 本研究中发现，通过较低电压（280 V，320 V）在钛纤维表面制备的膜层，在受到外加应力时，界面处产生的裂纹对膜层粘附性和纤维拉伸性能影响较小，催化效率相对较高，研究结果可以为钛纤维表面处理技术提供应用和理论依据。
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