牙弓金属丝的阳极处理

1、牙弓金属丝的阳极处理摘要颜色多样的牙弓金属丝由经氧化处理的商业 -Ti 和 NiTi 弓形金属丝制成,用硫酸 ,磷酸 ,硫酸钠 ,磷酸三钠的电解质.阳极处理在连续供应电压10-60V 、连续25温度下进行,金属丝的颜色随供应电压变化而变化,并且获得一个宽的光谱颜色的金属丝.经阳极处理的金属丝已被金相检测.氧化物层的组成和硬度用化学分析（ESCA ）的电子光谱和螺旋钻电子光谱学（ AES ）测定 ,二氧化钛层用电子光谱测定用于检测阳极处理的镍钛金属丝的表面.金属丝的颜色通过氧化物层的光的干涉引起,氧化物层的密度随供应电压的增加的增大,在开始的过程中氧化物层的密度也随阳极处理的时间的增加而增大,在

2、连续的供应电压在经过一定的反应时间达到一个最大值.然而镍钛金属丝的粗糙度经过阳极处理后会升高.1 引言如今牙科正畸治疗已经很普遍了,不仅是不合适的牙齿的调整成一直线,而且是为了更好看 . 支架被粘牢在牙齿上 ,金属的牙齿弓形线用塑料箍被粘附并且绑牢在支架上,通过支架 ,强力施加在牙齿上 ,不锈钢合金、镍钛基合金和 -Ti 基合金是三种牙弓金属丝应用最广泛应用的材料 1 ,镍钛基合金和 -Ti 基合金引起了更大的关注,因为它们是形状记忆合金并且有特殊的超弹性应变功能.在过去所有的三种不同种类的牙弓金属丝仅有金属银灰色和银灰色的颜色 ,Chen 和 Yang 发明了颜色多样的牙弓金属丝.它可以由不

3、同种类的表面处理技巧制成.例如等离子处理、表面涂装和阳极处理4-6 .例如 ,进过合适的阳极处理步骤,弓形金属丝被制作成为红色、黄色、绿色和不同种类的颜色4 .阳极处理是一个在金属阳极形成氧化物的过程7 ,金属经阳极处理能够发生颜色反应在很久以前就被发现7,8 ,钛及其合金在的工业用途是在生物医学和太空工程应用方面,它的退变色现象已被深入的检测出来7-12 ,均匀的钛氧化物层在阳极基底形成,并且通过光的干涉,阳极钛会显示不同种类的颜色.镍钛基合金在医学器械应用方面也很重要2 .虽然镍钛合金的颜色变化不是很常见,但镍钛合金的用阳极处理的表面处理也有所研究3-18 .Chen 和 Yang 的研制

4、的给牙齿变颜色金属丝发明4 是有进展的 .然而 ,阳极处理的金属丝还未作测试,这项研究讨论了 -Ti 和镍钛金属丝的阳极处理,阳极处理的金属丝表面的形态,氧化层的组成和密度也进行了分析 .2 实验过程商业 -Ti 金属丝（承办单位,#100-942,#100-949 ）和镍钛金属丝（DCA,#N-003,#N-010 ）已被应用 ,金属丝被阳极处理后再检验,牙弓金属丝是阳极 .箔材是阴极 .用四种不同的电解质 .它们的组成概括在表 1中 .电解质的选择首先是根据相关的阳极处理加过而定.那表示酸性电解质能够得出更好的结果7,11 .在阳极处理前 ,样本在 0.5 摩尔的氢氧化钠溶液中用超声波清洗

5、 10 分钟 .然后在 5 摩尔的盐酸中清洗10 分钟 .然后用蒸馏水洗涤 .阳极处理在一个连续的供应电压 10-60V 下进行 ,在连续的 25温度下进行 .对于 -Ti 金属丝阳极处理时间是 1 分钟和 10 分钟 ,镍钛金属丝是 120 分钟 .表 1在阳极处理过程中所用的电解质阳极处理样本是外观颜色也被核对,阳极处理表面的形态和显微结构用可选的显微镜和扫描电镜 (SEM,Hitachi S-2500) 核对 . 用于化学分析 （ ESCA,PHI1600 ）的在一个电子光谱的X1射线光电子光谱（ XPS ）用于分析氧化物层的组成 .用铝作阳极能产生光电子 ,它的能量是 1486.6e

6、V.用螺旋钻电子显微镜 （AES,670PHIXI ）检测氧化物层的密度 ,当氧化物螺旋钻电子数目仅是最大值的一半时,此时的深度位置认为是氧化物层的密度,溅射速率是111 10-9 每分钟并且用二氧化硅基质校准 .图 1, -Ti 金属丝在1 摩尔硫酸电解质中10 分钟阳极处理的可选显微图,（ a）开始（未阳极处理）、（ b）在 10V 电压下、（ c）在 20V 电压下、（ d）在 30V 电压下、（ e）在 40V 电压下、（f ）在 50V 电压下、（g）在 60V 电压下 .3 结果和讨论如图 1a 显示 , -Ti 金属丝的起始颜色仍然是银灰色,经过在1 摩尔硫酸电解质中供 10 分

7、钟电压 10V 的阳极处理后 , -Ti 金属丝的颜色变成褐色如图1b显示 .如在图 1 中 a-g 显示 ,牙弓金属丝的随着供应电压的变化而变化,例如 ,在 20V电压下是蓝色 ,在 40V电压下是黄色 .阳极处理的金属丝的颜色和变化趋势与那些先前报道的阳极处理钛相似8-12 .值得提出的是在这项研究中所用的 -Ti金属丝不是纯钛 ,而且由能量散射光谱决定的组成是Ti 原子百分率-9、 Mo 原子百分率 -6、 Zr 原子百分率 -3Sn.图 2b 是第二电子图像显微图（SEI ）用 10 电压阳极处理的 -Ti 金属丝 ,可以看到的是金属丝的表面比在阳极处理前如图2a 更光滑 ,如图3a,

8、X 射线光电光谱分析证实了表面层是一个氧化物层,并且阳极处理金属丝的光滑表面表面氧化物的形成是非常均匀的.均匀氧化物形成现象在1 摩尔硫酸电解质在不同的供应电压下10 分钟的阳极处理被测定在样本中,显示在图 2 的 a-g 中 .2图 2,-Ti 金属丝在1 摩尔硫酸电解质中10 分钟阳极处理的软件工程研究所的显微图（a）原始（未阳极处理） （b ）10V 电压（ c）20V 电压（ d ）30V 电压（ e）40V 电压（ f ）50V 电压（ g）60V 电压图 3,X 射线光电光谱结果（a）-Ti 金属丝在1 摩尔硫酸电解质10V 供应电压下10 分钟的阳极处理；（ b） 20V 电压；

9、（c） 30V 电压；（ d）40V 电压；（e）50V 电压；（ f） 60V 电压；（ g）镍钛合金在硫酸电解质中5V 供应电压下120 分钟；（ h）10V 电压下 .图 4a-f 是 -Ti 金属丝在 1 摩尔磷酸电解质中10-60V 电压 10 分钟阳极处理的可选显微图 ,阳极处理金属丝的颜色随供应电压的变化而变化,颜色和那些在硫酸电解质中除了60V 电压外阳极处理后非常相似 .金属丝在磷酸电解质中是粉红色、红色,和在硫酸电解质中的紫色不同 ,先前的电变色研究表明阳极处理样本的颜色受基质密度、性能和氧化物层7-12 影响 ,用磷酸阳极处理的金属丝的表面也很光滑,x 射线光电光谱分析显

10、示在两种不同的电解质中形3成的图层是二氧化钛.由于基底也相同,它们由氧化物层密度的不同导致的颜色的不同也是相似的 ,先前的钛阳极处理调查已经显示氧化物生长率受电解质的选择7-12 影响 .图 4, -Ti 金属丝在 1 摩尔磷酸电解质10 分钟阳极处理的可选显微图：（a） 10V 电压下；（b）20V 电压下；（ c） 30V 电压下；（d） 40V 电压下；（ e）50V 电压下；（ f） 60V 电压下 .图 3a 是 -Ti 金属丝在1 摩尔硫酸中供应10V 电压 10 分钟阳极处理的X 射线光电光谱结果 ,三个主要的特征峰被提及,并且它们是284,458 和 530eV,个别的 ,C（

11、 1s）的结合能等于284.8ev.第一个特征峰通常是在碳污染的X 射线光电光谱分析中发现的,钛和氧化物元素的结合能是 ,Ti(2p3/2)=454eV ,Ti(2p1/2)=460eV),O(1s)=531eV ,Ti 在二氧化钛中 ,Ti(2p2/3)=458.8eV , 并且 Ti 在氧化钛中 ,Ti(2p2/3)=455eV8. 从图 3a 中,可以得出的结论是阳极处理金属丝的表面是一些在表面有碳污染的二氧化钛,如图 3a-f 显示 ,非常相似的结果在用不同供应电压阳极处理的金属丝中也被发现了,氧和钛的组成比接近2 比 1,进一步证实了 -Ti 金属丝在 1 摩尔硫酸中阳极处理的氧化物

12、层是二氧化钛层 .并且在不同的阳极处理时间下的阳极处理金属丝的颜色的不同由表层密度不同决定 .图 5, -Ti 金属丝阳极处理 10 分钟的 SEI 显微图：（ a）在 10V 电压下和在硫酸电解质中； （ b）在 20V 电压下和硫酸钠电解质中； （c）在 30V 电压下和在硫酸钠电解质中； （ d）在 40V 电压下和在磷酸钠电解质中；（ e）在 50V 电压下和在磷酸钠电解质中； （f ）在 60V 电压下和在磷酸钠电解质中 . -Ti 金属丝在硫酸钠电解质中经过10 分钟和供应电压从10V 变化到 60V 阳极处理 ,阳极处理金属丝显示多种多样的明亮的颜色,结果和那些用硫酸电解质的很相

13、似.它们的扫描电镜显微图显示在图5a-e 中证实氧化物层在阳极处理金属丝表面是均匀形成的.对于用硫酸三钠电解质阳极处理的 -Ti 金属丝也发现了它的颜色变化和那些用磷酸电解质的很相似.然而 ,已经发现了当电解质磷酸三钠的重量百分比超过2.4%, 供应电压高于40V 后 ,经阳极处理后4的金属丝中会有小孔如图5d-f 显示 .在硫酸中的相似的有孔阳极处理膜的形成在文献7 中也有报道 .那些在硫酸中阳极处理的颜色大部分是相同的表明氧化物的密度和两种不同种类的电解质是相同的 .并且在阳极处理金属丝的小孔会使它们更轻.图 6a-d 是 -Ti 在硫酸电解质中 10 分钟阳极处理后的原子发射光谱测定结果

14、.如图 6a 显示的 -Ti 阳极处理 10分钟的样本 ,氧化物的踪迹在一定的喷射时间内仍然是连续的.然后氧化物数量迅速减少 .在开始的一半过程中钛的图像保持连续的,并且增加到一个不同强度的峰值 .相似的结果在不同的供应电压下阳极处理的金属丝中也被发现了.原子发射光谱测定结果进一步证实 X 射线光电光谱分析的表面是二氧化钛层.假设图层的密度是氧化物所在处最大值的仅一半时的深度.基于这些假设 ,氧化物层的密度能够被测定出来并且被概括在图6e 和表 2 中,图 7a-c 是原子光谱测定的 -Ti 用磷酸电解质阳极处理10 分钟结果 .结果和那些在硫酸中阳极处理的很相似,用相同的假设 ,用磷酸阳极处

15、理的的金属丝的氧化物的密度测定在图7a-c,结果被概括在图7d 和表 2 中.图 6, -Ti 在 1 摩尔硫酸电解质中10 分钟阳极处理原子发射光谱测定结果：（ a）10V 电压下；（b）20V 电压下；（ c）40V 电压下；（d） 60V 电压下；和（ e）从原子发射光谱测定结果中测定的氧化物的密度.表 2, -Ti 金属丝阳极处理10 分钟氧化物层的密度.5图 7, -Ti 金属丝在1 摩尔磷酸电解质10 分钟 原子发射光谱测定的结果： （ a）10V 电压下；（ b） 20V 电压下；（c） 50V 电压下；（d）从原子发射光谱测定的氧化物层的密度.图 8, -Ti 金属丝的可选显微

16、图： （ a）在 1 摩尔硫酸电解质 1 分钟 60V 电压下阳极处理；（ b）在 1 摩尔磷酸电解质中 1 分钟；（c） 5 分钟 .图 9,镍钛金属丝在硫酸电解质中120 分钟的可选显微图： （a）在 10V 电压下；和（ b）在 30V 电压下 .6图 10,镍钛金属丝在 1 摩尔硫酸电解质中 120 分钟的 SEI 显微图：（ a）开始（没有阳极处理） ；（ b）在 10V 电压下；（c）在 20V 电压下；（ d）在 30V 电压下；和（ e）在 40V 电压下 .原子发射光谱测定的喷射速率被测定是111 10-9 每分钟 .并且其深度可由喷射时间估算 ,氧化物层在 20V 电压下阳

17、极处理的密度测定为654 10-9 .薄膜干涉已被研究出来,等式 m=2ndsin 被有益的干扰18 确定 .20V阳极处理金属丝是蓝色,波长是4625 10-9,二氧化钛薄膜的折射从 2.2 变化到2.57 ,由它的组成和架构确定,在这次估算中用到的平均值是2.4,在直接的相同情形下 .=0 并且 m=1,氧化物层的密度用薄膜干涉等式能够估算出来为964 10-9.氧化物层密度的结果被概括在表2 中 ,估算值比根据实验确定的值要高.不同之处变化范围是3%到 27%. 考虑到用原子发射光谱测定的密度实验的不确定性和根据视觉确定的颜色估算的波长的不确定性 .氧化物层密度的实验和估算值被概括在表2

18、 中并且有有很大的相同之处 .图 8a 是 -Ti 在 1摩尔硫酸电解质中 1分钟电压 60V阳极处理金属丝的可选显微图,它的颜色是轻微的紫色并且和图1e 显示的阳极处理10 分钟不同 .图 8b 和 c 是 -Ti 在 1 摩尔磷酸电解质在 60V 电压下 1 分钟和 5 分钟的阳极处理金属丝的可选显微图.个别的 ,颜色是橘色和粉红色 ,个别的 , -Ti 在 1 摩尔硫酸电解质1 分钟的阳极处理金属丝的氧化物层的密度用原子发射光谱测定为1743 10-9.颜色的不同由氧化物层密度不同引起,Sharma9 提出氧化物层的电阻随密度的增加而增加,达到一个最大值后氧化物层停止生长.如果阳极处理时

19、间够长的话因此氧化物层的密度是一个供应电压的作用.然而 ,如果阳极处理时间很短,氧化物层的密度一定会被阳极处理时间影响.这个研究发现阳极处理的 -Ti 金属丝的颜色经过 10分钟后保持不变 ,这个测定结果表明氧化物层的密度在开始阶段随阳极处理时间的增加而增大,10分钟后保持不变 .图 9a-b 是镍钛金属丝在硫酸钠电解质中2h 的阳极处理可选显微图,更长时间的阳极处理的原因和钛金属丝不同,镍钛金属丝的着色处理在很短时间内可能不明显.图 9a是金属丝在10V 电压下阳极处理 ,金属丝的颜色是浅蓝色的,用更高的供应阳极处理电压金属丝的颜色将不相同 .例如 ,如图9b 显示的在30V电压下阳极处理 ,它的颜色一面是浅蓝色另一面是黄色,和 -Ti 金属丝阳极处理结果相比 .镍