Análise comparativa da anodização eletroquímica para obtenção de nanotubos de titânia em substratos α-Ti e β-TiNi
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Dissertação de mestrado
Título alternativo
Comparative analysis of electrochemical anodization of α-Ti e β-TiNi substrates to achieve titania nanotubes formation
Primeiro orientador
Membros da banca
Leandro de Arruda Santos
Dalila Chaves Sicupira
Dalila Chaves Sicupira
Resumo
O titânio e suas ligas são materiais amplamente explorados devido às suas características
de boa resistência mecânica e à corrosão, biocompatibilidade, propriedades catalíticas,
entre outras. Parte destes campos de utilização se devem à camada de titânia formada
em sua superfície, o que torna de primeira importância o controle da morfologia deste
filme. Diversas técnicas de finalização de superfícies de titânio são propostas, desde métodos mecânicos e químicos até ópticos. Métodos eletroquímicos são formas eficazes de se
funcionalizar uma superfície, pois são de fácil controle operacional, boa relação de custobenefício, alta reprodutibilidade e fácil aplicação em peças de geometrias complicadas. A
anodização eletroquímica para obtenção de estruturas nanotubulares de titânia é amplamente estudada em substratos de titânio comercialmente puro e ligas de baixa adição, que
possuem em comum o fato de formarem majoritariamente a fase α-Ti. A compreensão de
como estes processos podem ser utilizados com mesma finalidade em ligas de estrutura β
é escassa. Um exemplo de liga exclusivamente β é o NiTi, que foi utilizado para entender
a diferença entre processos aplicados em cada tipo de substrato. Foram utilizadas tiras
de titânio puro e de NiTi obtidas comercialmente. Ambos materiais tiveram estrutura
investigada e sua superfície foi caracterizada anteriormente aos processos de adequação
superficial e após a finalização desta etapa. As amostras foram anodizadas em eletrólitos
de composição 0,2%m. NH4F, 1%v. H2O em etilenoglicol. Os potenciais de anodização
escolhidos foram 5, 15, 25, 45 e 60 V com duração total de 3 h. As amostras foram caracterizadas por microscopia eletrônica de varredura e as características morfológicas foram
observadas por programa de análise de imagens. No titânio puro foram obtidas superfícies
de estrutura nanotubular em todas as condições de anodização estudadas, ao contrário do
ocorrido para o substrato de NiTi. Neste, apenas a amostra de 5 V apresentou formação
similar à amostra de titânio. Amostras obtidas sob potenciais de 15 e 25 V apresentaram formações de aspecto tubular, porém sobre uma matriz porosa e não organizada. As
amostras de NiTi anodizadas a 45 e 60 V sofreram corrosão por pite. O mecanismo de
crescimento dos filmes anódicos é semelhante, porém apresenta menor organização observada na interface metal/óxido. Foi possível concluir que a obtenção de nanotubos de
titânia em substrato de NiTi é viável, assim como no titânio. Os potenciais de anodização
eletroquímica do NiTi capazes de produzir esta morfologia devem ser escolhidos cuidadosamente, uma vez que este substrato é mais susceptível à degradação do filme anódico formado.
Abstract
Titanium and its alloys are widely explored in science and technological applications due
to its intrinsic characteristics of high mechanical and corrosion resistance, biocompatibility, catalytical properties, among others. Many of these applications are suitable due to
the natural titania coat that forms on top of the base metal, which makes its morphology control a primary concern. Several surface finishing techniques have been proposed
throughout the years to achieve this goal, since mechanical or chemical to optical processes.
Electrochemical processes are efficient ways to functionalize the surface of a base metal
once they have relatively easy operational control, are cost-effective, are reproducible and
are easy to apply even in complex-shaped pieces. Nanotubular titania films obtained by
electrochemical anodization are widely explored in the literature for commercialy pure
titanium or mostly α alloys. There is a lack of comprehension how these processes can
be used to produce the same kind of nanostructures in pure β alloys. One example of exclusively β alloy is the TiNi phase, which was used to better understand the mechanisms
involved in its eletrochemical anodization. Commercially pure titanium and TiNi strips
were used in this work. Both materials had its structure determined by X-Ray diffraction
and were characterized prior to the electrochemical anodization as well as after the anodic
process. The samples were anodized in a electrolyte with a composition of 0,2%m. NH4F,
1%v. H2O in ethyleneglycol. The chosen anodization potentials were 5, 15, 25, 45 and
60 V. The process was set to have 3 hours of duration. The samples were characterized
by scanning electron microscopy and its morphological features were assessed by a difital
image analyzer. All anodization conditions lead to the formation of nanotubular titania
in commercially pure titanium. The same behavior was not observed for TiNi alloys, as
the only condition that produced an uniform anodic film was at the anodization potential
of 5 V. As the potential increased to 15 and 25 V the degree of organization of the nanostructures was lost and some tubular structures could be observed in a spongy-like oxide
matrix. TiNi samples anodized at 45 and 60 V undergone severe corrosion damage and no
nanotube formation could be observed. The growth mechanisms of the anodic films seem
to be similar for both kinds of substrates, but the result of the TiNi metal/oxide interface
has lower degree of organization. It can be concluded that the growth of titania nanotubes
in TiNi substrates is feasible as it is in pure titanium substrate. But it is important to
choose the anodization potential carefully because the anodic film produced on top of
TiNi samples is more prone to suffer degradation from the anodic process du to its higher
reactivity.
Assunto
Materiais, Ciência dos materiais, Anodização, Titânio - Metalurgia
Palavras-chave
Anodização, Ligas Ni-Ti, Filme anódico, Nanotubos de titânia, Titânio
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