多年来,阳极氧化钛因其独特的纳米结构而被广泛研究,其较大的比表面积、超高的长径比等特点使其广泛应用于超级电容器、光催化、染料敏化太阳能电池等多个领域。然而,阳极氧化钛纳米管复杂的生长机制仍存在诸多争议,尚无任何机理能够完美地解释阳极氧化钛纳米管结构的形成机理,氧化钛纳米管的制备与应用也因此受到了限制。因而,深入探讨阳极氧化钛在不同实验条件下的生长过程并系统地研究阳极氧化钛纳米管的生长机制,具有重要意义。本文深入探讨了钛的阳极氧化过程,结合氧气泡模具机理,从电子电流和离子电流的角度,详细阐述了阳极氧化钛纳米管的形成机理,并对氧化过程中出现的特殊结构给出了合理的解释。首先,将钛箔分别进行一次阳极氧化和二次阳极氧化。通过对比一次氧化与二次氧化过程发现,二次氧化后,纳米管管长与氧化电流存在线性关系,而一次氧化中则不存在,且二次氧化能够提高纳米管的有序性。一次氧化与二次氧化的主要差异存在于纳米管胚胎形成阶段,一次氧化在阶段Ⅱ中需要更长的时间形成纳米管胚胎,而二次氧化时,一次氧化形成的凹坑为氧气析出和电解液进入纳米管底部提供了便捷途径。其次,将带有致密氧化层的钛基体在含氟电解液中进行阳极氧化,以此来研究纳米管胚胎的形成过程。结果发现,带有致密氧化层的钛基体在含氟电解液中阳极氧化30s后,降落伞状胚胎形成;继续延长阳极氧化时间即可获得阳极氧化钛纳米管,且纳米管顶部的致密氧化层并未贯通。上述事实表明致密氧化层下方的纳米管并不是通过场致溶解形成的,从而对场致溶解机理提出了质疑。通过结合离子电流与电子电流理论、阴离子嵌入机理、氧气泡模具效应和氧化物粘性流动模型,对纳米管胚胎的形成过程给出了详细地阐述:在阶段Ⅰ,阳极氧化电流初始的指数式下降是由于离子电流jion=A·exp(BU/d)随着氧化层厚度d的增加而下降。同时,电解液中的阴离子嵌入氧化物中,阴离子污染层在接近电解液/氧化物的界面形成。在阶段Ⅱ,阳极氧化电流的增加是由于电子电流je=j0exp(αd)的产生,并在到达临界厚度dc时快速上升。纳米管的胚胎是氧化物围绕着膜内氧气泡生长的结果。氧气泡的压力是氧化物从孔底向孔壁流动的先决条件。在阶段Ⅲ,稳定的阳极氧化电流来源于恒定的离子电流jion和电子电流je,因为相应的阻挡型氧化物保持在临界厚度dc不再变化。jion和je是相互依赖并独立的,是阳极氧化钛纳米管形成过程的一对驱动力。溶解反应可能存在于阳极氧化过程中,但是对阳极氧化电流没有贡献。另外,在不同阳极氧化条件下制备了氧化钛纳米管外壁的腰带结构,可以证实,腰带的形成与氧化时间,电解液的组成,氧化方式等氧化条件没有必然联系。研究证明,只有当纳米管顶端完整的表面层被破坏时,腰带才会形成。长时间氧化后,纳米管顶端完整的表面层受到化学腐蚀与氧气析出的双重作用而被破坏,破裂的表面层为电解液的传输提供了理想通道;当电解液与钛基底相互接触时,裂缝底部的电解液/钛界面就会形成腰带。这一结论被进一步证实:如果电解液被消耗完或者被人为的微小阻挡物阻挡住,则不能形成腰带或圆环。进一步地,将钛箔在氟硼酸电解液中阳极氧化可以得到多层阳极氧化钛纳米管,且中间层的纳米管具有独特的A型管壁。与常规的氟化铵溶液相比,氟硼酸电解液中阴离子嵌入的时间较长,初始电子电流产生较慢,因而阻挡层较厚,而纳米管底部的氧气泡受到阻挡层挤压积聚并反作用于流动的氧化物粘性流,最终形成了A型的纳米管管壁。另外,多层阳极氧化钛纳米管的形成则是由于氧气在氟硼酸电解液中独特的析出路径造成的。通过改变氟硅酸电解液中水的含量制备了海绵状阳极氧化钛多孔层,并探索了海绵状阳极氧化钛多孔层的形成机理。水含量的增加使离子电流增大而电子电流减小,较小的电子电流无法支持足够的氧气析出;与此同时,较大的离子电流不断支持氧化物的生长,最终氧气泡分散在氧化物内部便形成了海绵状多孔层结构。最后,通过恒流阳极氧化研究氧化电流对氧化钛纳米管形貌的影响。结果发现,高电流氧化可以制得阳极氧化钛纳米带结构。通过拟合可知阳极氧化电流密度为12.5 mA/cm2、25mA/cm2和37.5mA/cm2时,电子电流分别为6.3mA/cm2、15.2mA/cm2和33.3mA/cm2。而电子电流越大,氧气析出越为强烈,而强烈的氧气流与电解液不断交换对阳极氧化钛纳米管管壁最薄部位形成了剪切力,在剪切力的作用下氧化钛纳米带结构最终形成。