超细钛管内表面结构调控与溶液探测性能研究

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钛管作为钛基型材的一种,具有生物相容性好、比强度高、耐腐蚀好等优点,被广泛用于医疗器械、海水淡化等领域。在超细钛管内表面制备固-液型摩擦发电薄膜,通过液体流动能够将机械能转化为电能,实现针对不同液体的探测性能,在流体传感、医疗检测等领域有重要应用前景。然而,现有的表面改性方法通常针对平面基体,而不适合管状基体,尤其不适合内径小于3 mm的超细钛管内表面。本课题基于前期研究基础,提出了适用于超细钛管内表面的同轴阳极氧化法,实现了在内径为1 mm的超细钛管内表面二氧化钛纳米管涂层的调控,解决了狭小空间表面改性难题;在此基础上,以超细钛管为基体,设计并制备了摩擦发电聚四氟乙烯(PFTE)薄膜,并研究其针对不同液体的探测性能。主要研究结果如下:(1)对同轴阳极氧化装置做了改进,将同轴固定绝缘塞与开口位置做了分离处理,在保证电极同轴的同时,又稳定了电解液流动。据此,在内径为1 mm的超细钛管内表面制备并调控了二氧化钛纳米管涂层。并通过改变电压参数调控了二氧化钛纳米管的形貌及尺寸,在恒压模式下纳米管的管径最大达到了100 nm,管长最长为9μm左右。而方波电压所制备出的纳米管的管径最大为78 nm左右,管长最长约为2.8μm。但是方波电压所制备出的纳米管要更加均匀,并且管壁的形貌呈现为竹节状。(2)基于改性后的内径1 mm超细钛管,在其内表面设计并制备了PTFE薄膜,并开发了一种刚性的固-液型摩擦纳米发电探测针。实验结果表明,以10/30 V改性处理后的钛管为基底,液体探测输出电压最大为0.82 V、单个周期响应时间为0.93 s,而相应的原始钛管输出仅为~0.46 V、响应时间为0.97 s。这说明二氧化钛纳米管涂层能够有效提升器件的输出性能,缩短器件的响应时间。探测针输出电压随着Na Cl溶液浓度的升高而线性的降低,并且在酸碱溶液中也有不同的输出电压,表明了其在离子浓度检测传感领域有较好应用前景。同时,在2 mol/L的H3PO4溶液连续工作了1800次循环、30 min。结果显示,器件输出电压稳定,展现了良好的稳定性。
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