虽然二氧化钛（TiO2）具有很多非常理想的特性，但应注意它并非是永远不受腐蚀的。

图片来源：Christian Lagereek/Dreamstime.com。

    二氧化钛材料的众多优良性能和相对较低的成本使得它在多种领域中被广泛应用，它同样也是目前正被广泛研究和测试的一种金属氧化物——大量科研人员都在探寻可以与该化合物进行结合的不同表面涂层工艺。

    二氧化钛有时候也被称之为钛（IV）氧化物，这是一种天然存在的钛氧化物，根据其环境暴露的性质，通常具有几种化学组成。

    钛氧化物，特别是二氧化钛，是钛金属在水性环境中氧化时所产生的。二氧化钛现在主要被用作油漆和清漆中的活性成分——约占全球总消费量的80％以上。此外，二氧化钛在印刷油墨，纤维，弹性体，防晒剂，食用色素和化妆品等方面均有重要应用。

    什么是二氧化钛？

    在众多被用于涂料方面的金属氧化物中，二氧化钛已经引起了科学界的极大关注。该化合物具有粉末状白色外观，并且如前所述，由于其优异的耐腐蚀性和表面钝化性能，通常被用作油漆和涂料中的添加剂。

    尽管二氧化钛是通过氧和钛之间的氧化反应形成的，但它也可以从天然存在的矿物中提取。钛铁矿（FeTiO3）是目前世界上最主要的二氧化钛来源；金红石则将会是下一个最为丰富的二氧化钛来源，其矿石中含有98％以上的化合物；其他二氧化钛来源还包括锐钛矿，钙钛矿（CaTiO3）和钛酸盐（CaTiSiO5）等。

    真相1  二氧化钛的耐腐蚀性超过其他金属氧化物

    除了具有较高的硬度和优异的耐磨性外，二氧化钛还以其卓越的耐腐蚀性而闻名。二氧化钛薄膜非常稳定，并且仅受少量物质（例如氢氟酸）的腐蚀影响。这使得涂有二氧化钛的部件能够有效抵抗盐水和一些酸性环境中的腐蚀。

    二氧化钛具有这种耐腐蚀性主要是由于这种材料内部缺少相互连接的孔，这些孔通常提供具有到达金属基底优先路径的腐蚀性介质。即使是在涂料中仅仅添加少量的二氧化钛，其最终的防腐蚀性能也可以大大改善。一些研究表明，向氧化铝中加入少至3％的二氧化钛可以显着提高涂层的韧性和耐腐蚀性能。

    当钛金属是由于暴露于环境而自然形成时，二氧化钛是高度稳定的，并且会紧密地粘附在金属表面上以形成保护屏障，以防止进一步的空气和水分的侵入。值得注意的是，即使是在室温下，清洁的钛表面暴露在空气中之后也会立即形成二氧化钛膜。曝露时的初始膜厚度约为12-16埃（1埃= 1×10-10米），在暴露空气后薄膜的厚度会持续稳定增长，直到在70天内达到50埃的厚度，最终在四年后达到250埃。

    二氧化钛膜的生长可以在特殊的氧化条件下加速，例如：高温，电解质中的阳极极化或当暴露于特定的氧化剂（例如，HNO3，CrO3）中时。

    真相2  二氧化钛薄膜并非不受任何腐蚀

    尽管二氧化钛是一种高效的腐蚀防护屏障，但它很容易受到特定化合物的侵蚀。二氧化钛薄膜的降解会使基材暴露于外部环境并引起额外的腐蚀，进而导致重大的材料损失。

    例如人们已经知道的，氟化物和过氧化氢会使二氧化钛膜慢慢劣化。氢氟酸虽然被认为是一种相对较弱的酸，但它由对钛金属具有侵蚀性的高反应性分子组成。研究表明，高于30ppm的氢氟酸浓度会对这些保护性氧化膜产生破坏作用。

    二氧化钛腐蚀保护的有效性也会受到无水环境，即几乎没有水分的环境的严重影响。由于二氧化钛通是在水性环境中形成，缺水在一定程度上阻碍了薄膜自愈或提供电流保护的能力。

    真相3  二氧化钛对人体体液具有高度抗性

    二氧化钛结合了许多人们所期望的机械性能，还具有优良的耐腐蚀性，耐化学性和整体的生物相容性，这些性能使其成为涂覆医疗器械和植入物的热门选择。其生物相容性主要归因于其惰性和强效钝化特性。

    尽管二氧化钛是很有效的保护层，但在某些情况下，它可能不足以在体液的作用下保持稳定性以提供完全的腐蚀保护。二氧化钛层的降解会导致金属离子释放到附近的组织中。这可能会对身体的防御机制和细胞活动产生不利影响，最终可能引发炎症反应，甚至导致植入物产生排斥等更严重的情况。例如，已发现一些钛合金元素具有细胞毒性（对细胞有毒），因此对人体组织会产生不利影响。

    但幸运的是，氧化钛表面可以通过多种方法进行改性处理，以改善其耐腐蚀性，这使得二氧化钛更加适用于需要生物相容性的一些医学应用中。表面改性技术是仅对材料的表面进行处理的技术，如渗碳（或渗氮）、喷丸、激光处理、离子注入、表面涂层法、阳极氧化、化学气相沉积、物理气相沉积等等。热处理就是其中可用于二氧化钛表面处理的一种非常简单而且有效的技术，该技术可以在表面形成薄而坚固的锐钛矿层。该薄层具有明确的形态和晶体结构，可以通过阻止潜在危险离子的释放来有效增强薄膜的整体生物相容性。

    结论

    二氧化钛薄膜和涂层提供的腐蚀保护优于其他类似的金属氧化物。这主要归因于其结构缺乏相互连接的孔隙——这些孔隙会促进腐蚀的形成。这种材料的生物相容性使其成为了可以安全用于需要与人体皮肤和组织接触的医疗应用中的少数氧化物之一。

    但是，虽然二氧化钛具有许多所需的优异特性，但应该注意的是，它并不是不会受到腐蚀。一些特定的化学品和无水环境会破坏保护性的二氧化钛氧化层，进而使下面的基材收到侵蚀。

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责任编辑：王元

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