阳极氧化制备的Ti表面氧化膜具有出色的耐蚀性能、良好的生物相容性和优异的光催化性等优点,其制备过程简单、成本低、污染小,因此被广泛地应用于腐蚀防护、生物医学、新能源材料、光水解制氢等诸多领域。本论文以工业纯钛(TA2)为基体材料,对其阳极氧化过程开展研究。通过对TA2表面氧化膜形貌、结构、结晶行为和电化学特性的表征和计算,分析氧化膜结构特征和相构成,研究氧化膜的微观结构、成膜过程和结晶机理。为此,本论文在0.5 MH2SO4电解液中,系统研究阳极氧化电位,阳极氧化次数以及机械研磨对氧化膜结构和性能的影响。采用XPS深度溅射法,定量分析阳极氧化膜不同深度下Ti氧化物的结构、价态和含量;建立氧化膜中,各种氧化物以及氢氧化物的含量与氧化膜深度的关系;研究了氧化膜的结构特性、电化学特性和缺陷的扩散系数特性,构建氧化膜形成的点阵缺陷模型,研究形成机理和影响因素。结果表明,随着电位的提高,氧化膜厚度增大,结晶率提高,耐蚀性能增强。高电位促进氧化膜中Ti4+化合物的形成和锐钛矿形核。氧化膜由Ti02、Ti(OH)4、TiO2H2O、Ti203和TiO等组成,含量随深度呈连续变化。氧化膜的生成与O空位和Ti阳离子间隙物在氧化膜中的扩散有关。在Ti/氧化膜界面发生氧空位的生成,氧化膜/溶液界面发生氧空位的湮灭,Ti阳离子间隙物在氧化膜/溶液界面生成,Ti/氧化膜界面上湮灭,氧化膜同时向基体和溶液方向生长。在上述研究基础上,针对阳极氧化膜孔隙率较高的情况,对TA2进行二次阳极氧化处理。采用二次氧化阳极氧化处理,可以提高氧化膜的厚度,降低孔隙率。首次加压为30 V,终电位为40 V时,氧化膜厚度提高了约17.3%,表面微孔基本消失。首次加压处理形成了较为致密的初始氧化膜,在二次加压处理时,降低了析氧反应的密度,从而使二次氧化形成的氧化膜孔隙率明显降低。二次氧化处理有助于氧化膜向基体一侧生长,导致氧化膜厚度增加。同时,二次氧化处理增强了 TA2的耐蚀性,二次阳极氧化首次加压30 V,二次加压40 V处理后样品的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度,比直接加压40 V样品的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别提高了 0.16 VSCE,下降了约一个数量级,可以减少腐蚀倾向,降低腐蚀速率。由于表面形貌对氧化膜的形成过程有显著影响,对TA2进行机械研磨处理,细化表面晶粒、增加压应力、缺陷和表面电子能密度,提高表面活性。机械研磨处理可以明显增加氧化膜厚度,提高其耐蚀性。研究发现表面机械研磨处理可以改变氧化膜的形核方式,由于TA2表面能的提高降低了不同Ti化合物的形核功,形核过程由连续形核转变为瞬时形核,形核率显著提高;同时高的表面能为氧化膜的生长提供足够的能量,加速了空位和离子的扩散过程,导致O空位和Ti阳离子间隙物在氧化膜中的扩散速率,比未经过表面机械研磨处理样品提高了 2个数量级。最后形成的氧化膜和直接阳极氧化的氧化膜相比,自腐蚀电位提高了0.462 VSCE,自腐蚀电流密度下降约0.005 A.cm-2%。阳极氧化TA2氧化膜在NaCl溶液中,氧化膜孔洞内外易形成"氧浓差电池",使Cl-向孔洞处移动,孔洞内部形成了无氧、低pH和高Cl-浓度的腐蚀环境,造成孔内氧化膜的破裂,使Ti基体暴露在腐蚀介质中,平衡电位迅速下降,和孔外部构成"接触腐蚀电偶"。"腐蚀电偶"对腐蚀加速效果的影响和孔隙率有关,孔隙率较低时,腐蚀速率明显降低。二次阳极氧化处理可以明显改善表面结构,降低氧化膜孔隙率,减小孔洞对氧化膜耐蚀性的影响。当表面孔洞几乎消失时,氧化膜中的缺陷密度成为影响氧化膜耐蚀性的主要因素,NaCl溶液中的Cl-可以吸附在氧化膜中的点缺陷上,扰乱了 Mott-Schottkypair反应,在Ti基体/氧化膜界面上产生空隙,造成氧化膜和Ti基底分离,进而在内部压应力的作用下,导致了氧化膜破裂。机械研磨处理通过改变氧化膜形核模式和促进O空位和Ti阳离子间隙物的扩散等方式,明显降低了氧化膜的缺陷密度,有效抑制了 Cl-在氧化膜表面的吸附,最终提高了氧化膜的耐蚀性。