铝的阳极氧化实验报告.doc

铝的阳极氧化及表面着色甘油添加剂对氧化膜性能的影响摘要：本实验探讨了在铝的阳极氧化实验中，不同浓度的甘油添加剂下铝形成的氧化膜的性能，包括着色、耐腐蚀性、绝缘性以及氧化膜的厚度。得出了随着甘油添加剂浓度的增大，铝表面的氧化膜厚度增加以及在添加剂浓度为5mL/L时着色效果最好等的结论。关键词：铝的阳极氧化 氧化膜 甘油添加剂 Abstract：This study investigated the anodic oxidation of aluminum experiments, at different concentrations of glycerol additive of aluminum oxide film formation properties, including color, corrosion resistance, insulation and the thickness of oxide film. Obtained with the concentration of glycerol additive increases, the aluminum surface of the oxide film thickness and concentration of glycerol additive of 5mL/L and so when the conclusions of the best coloring.Keywords : the Anodic of Aluminum; Oxide film; the Glycerol Additive1研究进展 近十年来，我国的铝氧化着色工艺技术发展较快，很多工厂已采用了新的工艺技术，并且在实际生产中积累了丰富的经验。已经成熟和正在发展的铝及其合金阳极氧化工艺方法很多，可以根据实际生产需要，从中选取合适的工艺。近几年来，国外在铝材表面处理方面发展得很快，原来的一些费人力、费电力和资源的老工艺已得到改革，一些新工艺、新技术已广泛应用于工业生产。 国内已发展的新工艺：(一)草酸-甲酸混合液交流快速氧化；(二)混合酸氧化；(三)瓷质氧化；(四)国防色氧化；(五)多色氧化；(六)大理石花纹染色工艺；(七)化学蚀刻氧化；(八) 常温快速阳极氧化；(九)化学氧化法(又称导电氧化膜) ； 国外的新工艺有：(一)高速阳极氧化法；(二)富田式(高速氧化)法；(三)红宝石膜；(四)浅田法电解着色；(五)自然着色法。另外铝或铝合金材质情况质量的优劣、所含成份的不同，是会直接影响到铝制品阳极氧化后的质量的。 铝的阳极氧化，是指在一定的电解液中，以铝为阳极进行电解，从而使其表面形成氧化物薄膜的过程。通过铝阳极氧化法可以在铝表面上获得足够厚的氧化膜，且膜层具有硬度高、绝缘性好、耐蚀性强、吸附能力强等特点。它被广泛应用于建筑、航空、军事等领域。随着工业的发展，传统的阳极氧化法已不能满足人们的需要，因此改善阳极氧化铝膜的性能成为当今研究领域的一个焦点，添加剂法是其中最简单易行的方法。本文探讨了甘油添加剂对氧化膜的性能的影响，下面就综述目前甘油添加剂的研究情况。 电解电压、电解质种类以及添加剂等因素对氧化铝多孔膜的形成过程有显著影响。王为，朱静1等人对甘油添加剂对铝在草酸溶液中的阳极氧化过程的影响进行了研究，发现在电解液中加入甘油作为添加剂,不但可以增加阳极氧化形成的多孔膜的厚度 ,而且有利于增强氧化膜的韧性。采用高纯铝作阳极 ,铂网作为阴极 ,在草酸溶液中进行恒压阳极氧化。研究了在3 %(质量分数) 草酸溶液中,添加甘油对氧化铝多孔膜形成过程的影响。结果发现 ,添加甘油并不会改变氧化铝多孔膜的形成过程 ,也不会改变形成氧化铝多孔A12O3的非晶态结构 ,但甘油的加入将降低阳极氧化时多孔氧化铝膜的生长速度以及氧化铝阻挡层的形成速度 ,同时增加了纳米孔阻挡层的厚度 ,因此增加阻挡层的形成时间。在阳极氧化电解液中加入甘油还有利于减小氧化铝多孔膜的纳米孔孔径。2 实验部分 2.1 实验原理 2.1.1 阳极氧化原理： 防止金属腐蚀的方法之一是在金属表面形成氧化膜保护层。利用电化学方法，可以使铝或铝合金表面生成致密的优质氧化膜，能有效地提高铝的耐腐蚀性。另外，由亍所形成的氧化膜存在均匀的孔隙，可以用有机染料或电解法进行着色处理，封密后色泽稳定，使铝材的应用更加广泛。这种使铝的表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。 若以Al为阳极， Pb为阴极， H2SO4溶液为电解质，电解时的电极反应为： 阴极：6H+ 6e- = 3H2 阳极：2Al 6e = 2Al3+ 2A13 6H2O = 2Al(OH)3 6H 2Al(OH)3 A12O3 3H2O 同时，由于阳极反应生成的H和电解质H2SO4中H都能使所形成的氧化膜发生溶解： Al(OH)3 + 6H+ A13 3H2O 因此，要使A12O3氧化膜顺利形成并达到一定厚度，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，这就要求通过控制一定的氧化条件来实现。 铝的阳极氧化和着色工艺要求形成的膜既有一定厚度，又要在膜上有均匀的孔隙，以保证电流的通过及将来着色。 影响氧化膜形成的因素有： 电解液的浓度； 阳极电流密度； 电解槽温度； 氧化时间； 添加剂与杂质的影响。 另外，搅拌、电流波形等外界条件也会对氧化膜的性质、外观等产生影响。本实验根据实验室条件和课时安排，选取条件进行氧化膜质量的探讨。并从绝缘性能、耐腐蚀性试验、测定氧化膜厚度几方面粗略地检验氧化膜的性能。 2.1.2 着色的原理 氧化膜的表面是多孔的，在这些孔隙中可吸附染料或结晶水。为了使铝的表面形成不同的颜色以满足装饰要求，可以在氧化膜形成后进行着色处理。 着色原理：有机染料的着色机理比较复杂，一般认为：有机染料只是物理吸附在氧化铝膜的表面； 有机染料分子与氧化铝发生化学反应，这种反应可以是氧化膜与染料分子上的磺基形成共价键；与酚基形成氢键；与染料分子形成络合物等。 影响着色的因素： 氧化膜质量好坏； 着色液的种类、浓度及处理条件。 着色方案有： 有机染料着色；电解同时进行着色 2.1.3 封闭的原理 氧化膜的表面是多孔的（约为7-9 亿个/cm2 ），在这些孔隙中可吸附染料，也可吸附结晶水。由于吸附性强，如不及时处理，也可能吸附杂质而被污染，所以要及时进行填充处理，从而提高多孔膜的强度等性能。封闭处理的方法很多，如沸水、高压蒸气法，浸渍金属盐法和填充有机物（油、合成树脂）等。众多方法中应用最广的是沸水法。 沸水法是将铝片放入沸水中煮，其原理是利用无水三氧化铝发生水化作用。 沸水封闭时，水的pH 应控制在4.5-6.5 之间，时间一般为10min ，煮沸后取出，放入无水酒精中数秒后晾干。 A12O3 H2O A12O3H2O A12O3 3H2O A12O33H2O 由于氧化膜表面和孔壁A12O3水化的结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。 沸水封闭时，水的pH要控制好，pH值太高会造成“碱蚀”。煮沸用水为去离子水，时间一般为10min ，煮沸后取出，放入无水酒精中数秒后再晾干。 2.2 实验方案设计 2.2.1 探讨因素 在固定其他因素为最佳条件(电解液浓度：20%，电流密度：15 mA/cm2 ，通电时间：20min)的前提下，探讨阳极氧化时添加剂的影响，以甘油为添加剂:甘油浓度分别控制在0mL/L, 5mL/L，10mL/L。根据所用硫酸电解液的量计算出所需添加的甘油的量分别为0mL、1mL、2mL。其他条件取最佳值。 2.2.2 表征手段 给出每个条件下得到的氧化膜性能的评价手段。 2.2.3 所需仪器药品 实验仪器： 电解槽；恒温水槽； WLS 稳流电源；分析天平； 其它：烧杯；镊子；万用电表；电炉；电吹风等。 试剂及电极： 电极：铝片；铅片； 铝表面预处理试剂：去污粉；氢氧化钠溶液（3mol/L ）；硝酸溶液（2mol/L ）， 电解液：20%的硫酸（质量分数）。 着色试剂：染料酸性元青、酸性大红，直接耐晒翠绿，活性艳橙。2.3 实验步骤2.3.1 前处理：裁剪铝片，在三片铝片上分别裁出3小片有效面积（进入电解液的面积）为1.0cm x 3.0cm 的小片,有效面积（进入电解液的面积）为3cm2左右。双面清洗，碱洗、酸洗、蒸馏水洗后蒸馏水中保存。 2.3.2 阳极氧化：在最佳工艺条件：电解液浓度：20 % ，电流密度：15 mA/cm2 ， 通电时间：20min（在前5分钟，电流密度都要控制在5mA/cm2以下），分别在电解液中添加不同浓度的甘油溶液。 2.3.4 后处理： 阳极氧化实验结束后，得到的氧化铝膜要分成3片，做三项表征： 有机染料浸渍着色：将氧化后的铝片经自来水、蒸馏水冲洗干净，放入翠绿着色液中着色30分钟（注意无需对着色液进行任何调整）。着色后将表面染料冲洗，放入沸水中封闭10 分钟。 绝缘性实验：将氧化后的铝片经自来水、蒸馏水冲洗干净后放入沸水中煮，水的pH值应控制在4.5-6.5之间，时间为10min，煮沸后取出，放入无水酒精中数秒后再晾干。用万用电表测定水封后的铝片表面两点间电阻的差别来比较。 膜厚度测定： a 氧化后的铝片洗净吹干后置于分析天平上称重；记录mi；b 将铝片于60左右的溶膜液（磷酸和CrO3组成）中煮10 min ；c 取出铝片用水冲洗，浸入无水乙醇中，再取出晾干；d 再用天平称出退膜后铝片的质量ms; e 根据公式=(mi-ms)104/(A) ，计算膜厚值。 3 结果与讨论 3.1 实验结果 表一：实验现象记录甘油添加剂的浓度 0mL/L 5mL/L 10mL/L 氧化膜银色光滑银色光滑银色光滑着色均匀、翠绿色 均匀、光亮、翠绿色粗糙、翠绿色滴加耐腐蚀液18min左右变色30min内不变色30min内不变色绝缘性（电阻） 0（超量程） 0（超量程）0（超量程）表二：膜的厚度计算甘油添加剂浓度溶膜前质量/g 溶膜后质量/g膜的质量/g膜的厚度/m 0mL/L0.3877 0.3784 0.00935.74 5mL/L0.35400.3450 0.00905.5610mL/L0.3725 0.36540.00714.38 3.2 讨论 实验现象表明，适量的甘油添加剂可以改善氧化膜的质量。 适量的甘油添加剂可以提高氧化膜的着色效果，当添加剂的浓度为5mL/L时，氧化膜的着色效果最好，此时的铝片呈均匀、光亮的翠绿色；但当添加剂的浓度提高到10mL/L时，膜的着色效果反而降低。 在电解液中添加了甘油添加剂后，氧化膜的耐腐蚀性能得到了提高，延长了膜的使用寿命。 甘油添加剂对膜的绝缘性影响不大，无论是否添加了甘油，膜都有很好的绝缘性。另外，实验中还发现，随着甘油添加剂浓度的升高，氧化膜的厚度却有所降低。当添加剂浓度较高时，所得氧化膜的孔隙率大，膜层光滑均匀，但氧化膜的生长速度要比低浓度添加剂时慢得多，这是因为在较浓添加剂时生成的氧化膜溶解速度大。添加剂的浓度不能太高，否则生成的氧化膜呈粉状，且疏松易脱落；添加剂的浓度也不能太低，否则工业生产中氧化处理液使用寿命短，且零件易被烧坏。实验表明甘油添加剂的含量直接影响氧化膜的生长速度和氧化膜的其他性能，当其浓度过高时，膜层会明显变得疏松，氧化膜的溶解速度会加快，膜层的绝缘性以及其他性能也会降低。 本实验所用甘油添加剂的浓度总体来说还是比较小的，所以没有出现氧化膜疏松的现象，而且浓度的差距不是很大，所以膜的厚度相差也不是很大，比较接近，但不加甘油添加剂时，膜的厚度最大，为5.74m。4 结论 1.适量的甘油添加剂能明显提高氧化膜的性能； 2.甘油添加剂的浓度对氧化膜的厚度的影响不是很大，但当其浓度超过5mL/L时,膜层的着色效果会明显变差。 3. 甘油添加剂的浓度对氧化膜的绝缘性的影响不是很大，即使不加添加剂，电解得到的氧化膜仍有很好的绝缘性。参考文献 1 王为，朱静，巩运兰，王媛媛.甘油对阳极氧化铝纳米孔形成过程的影响J.材料保护,2005,38(1):20-232 何广平，南俊民，孙艳辉等，铝的阳极氧化及表面着色.物理化学实验M.化学工业出版社.3 杨哲龙，方海涛，安茂忠等.铝