鋁的陽極氧化及著色(檸檬酸)百度文庫

1、物化設(shè)計性試驗報告鋁的陽極氧化及著色鋁的陽極氧化和著色添加檸檬酸對氧化膜性能的影響摘 要：鋁的陽極氧化膜性能受到諸多因素的影響，主要包括電流密度、硫酸濃度、氧化時間、添加劑等。本文主要探討了其它因素選擇文獻最優(yōu)值的情況下，添加檸檬酸對鋁的陽極氧化的影響。關(guān)鍵詞：鋁 陽極氧化 氧化膜 檸檬酸Abstract：Anodic aluminum oxide film properties affected by many factors, including current density, sulfuric acid concentration, oxidation time, additives

2、and other factors. This paper discusses the literature of other factors that select the optimal value of the case, the addition of citric acid on anodic oxidation of aluminum.Keywords：Aluminum Anodizing Oxide film Citric acid1 研究進展鋁由于其比重小，加工性能好，導(dǎo)電、熱性能優(yōu)良，塑性好，抗大氣腐蝕能力強，易于成形，價格便宜等優(yōu)點在輕工，建材，航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鋁在空氣

3、中可自然形成一層氧化膜，起到一定的防護作用，但這種在空氣中自然形成的膜性能并不足以真正地保護鋁基體。因而人們研究了各類方法以制得性能優(yōu)良的氧化膜，陽極氧化法是其中最為常用的一種。陽極氧化膜不僅具有良好的力學(xué)性能、很高的耐蝕性，同時還具有較強的吸附性，可對其進行著色處理獲得誘人的裝飾外觀。鋁陽極氧化的方法可以根據(jù)是電解液的不同分為硫酸法、草酸法、鉻酸法、磷酸法、有機酸法和混合酸法等。陽極氧化使用的電源從開始時的直流電，發(fā)展到交流電、交直流疊加、方波脈沖電源等。用硫酸配電解液直流電進行陽極氧化，是最為經(jīng)典的方法，此法具有工藝簡單、溶液穩(wěn)定、操作簡便和成本低等優(yōu)點。硫酸具有強導(dǎo)電性，所以氧化時所需的

4、電壓低，而且它對新生成的氧化膜有較強的溶解作用，不宜長時間通電，通電10-15min即可獲得厚度為5-20m的氧化膜，膜的硬度高、孔隙多、吸附力強、易著色，將孔隙封閉后有較高的抗蝕能力。用硫酸配電解液直流電進行陽極氧化時，鋁的陽極氧化膜性能受到諸多因素的影響，主要包括電流密度、硫酸濃度、氧化時間、添加劑等。隨著工業(yè)的發(fā)展，傳統(tǒng)的陽極氧化法已不能滿足人們的需要，因此改善陽極氧化鋁膜的性能成為當(dāng)今研究領(lǐng)域的一個焦點，添加劑法是其中最簡單易行的方法。本文探討了檸檬酸添加劑對氧化膜的性能的影響。2 實驗部分 2.1 實驗原理2.1.1鋁的陽極氧化鋁制品作陽極，以硫酸等酸為電解液進行陽極氧化，形成較厚的

5、Al2O3氧化膜：陰極：2H2eH2陽極：Al3eAl3Al33H2OAl(OH)33HAl(OH)3Al2O33H2O由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱點會發(fā)生局部溶解（Al2O36H=2Al33H2O），出現(xiàn)的孔隙使得鋁與電解液接觸，又重新氧化生成氧化膜。隨著氧化時間的延長，膜不斷溶解與修補，氧化反應(yīng)不斷縱深發(fā)展，從而使制品表面生成薄而致密的內(nèi)層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜。要使Al2O3氧化膜順利形成，必須使電極上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，因此在鋁的陽極氧化過程中，要控制好氧化條件。2.1.2鋁氧化膜的絕緣性 鋁是良導(dǎo)體，鋁陽極氧化膜是高電阻的絕緣膜。絕緣擊穿電壓大于30V/

6、m,特殊制備的高絕緣膜甚至達到大約200V/m。本實驗通過萬用電表測電阻的方法來得到氧化膜的絕緣性。2.1.3鋁氧化膜的耐蝕性鋁陽極氧化膜可以有效保護鋁基本不受腐蝕，陽極氧化膜顯然比自然形成的氧化膜性能更好，膜厚和封孔質(zhì)量直接影響使用性能。耐腐蝕性是通過在氧化膜表面滴加K2Cr2O7與HCl的混合液，觀察是否有氣泡及K2Cr2O7溶液是否變綠來判斷。2.1.4鋁氧化膜的著色由于氧化膜表面是由多孔層構(gòu)成且比表面積大，具有很高的化學(xué)活性，因而可以對氧化膜進行表面著色。浸漬著色（翠綠著色）氧化膜對翠綠色有機著色液的物理吸附和化學(xué)吸附，其化學(xué)吸附是指氧化鋁與有機著色液官能團發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。電解著色（Cu

7、SO4電解液）以已經(jīng)陽極氧化好的鋁片為陰極，鉛網(wǎng)為陽極，電解CuSO4溶液：陰極：Cu22eCu陽極：H2O2e1/2O2+2H+已經(jīng)氧化好的鋁片作為陰極，電解時生成致密均勻的Cu附著在其表面，形成紫紅色銅膜。本實驗采用浸漬著色（翠綠著色）。2.1.5氧化膜的封閉處理氧化膜的表面多孔，在這些孔隙中可以吸附染料也可以吸附結(jié)晶水?？梢杂梅兴▽⒅玫匿X片進行封閉處理，其原理是利用無水Al2O3發(fā)生水化作用：Al2O3H2O=Al2O3·H2OAl2O33H2O=Al2O3·3H2O由于氧化膜表面和孔壁的Al2O3水化結(jié)果，使氧化物體積增大，將孔隙封閉。2.2 實驗方案設(shè)計2.

8、2.1 探討因素 固定電解液的硫酸濃度為20%、電流密度為15mA/cm2、通電時間為15min、室溫條件的情況下，探究添加檸檬酸對陽極氧化膜的影響，檸檬酸量：1g/L；2g/L；3g/L三個用量。2.2.2 表征手段絕緣性和耐腐蝕性測定：對三個添加了不同用量的檸檬酸進行陽極氧化過的鋁片分別用萬用表測其電阻。然后，用膠頭滴管吸取1滴K2Cr2O7與HCl的混合液滴到鋁片上，觀察是否有氣泡產(chǎn)生及重鉻酸鉀顏色變化。翠綠著色：對三個添加了不同用量的檸檬酸進行陽極氧化過的鋁片分別進行翠綠著色10min，并作封閉處理；氧化膜厚度測定：對三個添加了不同用量的檸檬酸進行陽極氧化過的鋁片分別作氧化膜厚度測定，

9、測定公式為： （mi-ms）×104= A式中，為膜的厚度，m；mi為成膜后鋁片的質(zhì)量，g；ms為退膜后鋁片的質(zhì)量，g；為氧化膜的密度，2.7g/cm3；A為膜表面積，cm2。2.2.3 所需儀器藥品（1）電極與試劑電極：鋁片（1cm×3.7cm，9片），鉛網(wǎng)；鋁片表面預(yù)處理試劑：氫氧化鈉溶液（3mol/L），硝酸溶液（2mol/L）；電解液：硫酸溶液；著色試劑：翠綠著色液；溶膜液；檸檬酸。（2）儀器電解槽；WLS穩(wěn)流電源；分析天平；鑷子；電爐；燒杯；量筒；移液管等。2.3 實驗步驟2.3.1鋁片的預(yù)處理（1）鋁片的裁剪：剪下3組（3片/組）共9片1cm×7cm的

10、鋁片；（2）鋁片的清洗：去污粉刷洗：用去污粉刷洗鋁片正反兩面，然后用自來水沖洗干凈。堿洗：3mol/L的氫氧化鈉溶液浸洗30s；取出后用自來水沖洗，若油污已除凈，鋁片的表面不會掛水珠。酸洗：2mol/L的硝酸溶液浸洗1min，然后用去離子水清洗，洗后用萬用電表分別測定三片鋁片的電阻，再將鋁片保存在去離子水中2.3.2鋁片的陽極氧化以200ml20%的硫酸為電解液，加入0.2005g檸檬酸（約1g/），以第1組的3片鋁片為陽極（通過測量及計算得到進入電解液的有效面積為22.2cm2），鉛網(wǎng)為陰極，調(diào)節(jié)WLS穩(wěn)流電源上的電流約為111mA（即電流密度為5mA/cm2），電解5min，再調(diào)節(jié)WLS穩(wěn)

11、流電源上的電流約為333mA（即電流密度為15mA/cm2），電解15min；另外兩組其他條件不變，改變加入的檸檬酸的量分別為0.3996g(約2g/L)、0.6001g(約3g/L)進行相同的處理。2.3.3絕緣性和耐腐蝕性測定將第三塊鋁片用水沖洗干凈并吹干后，用萬用表測其電阻。然后，用膠頭滴管吸取1滴K2Cr2O7與HCl的混合液滴到鋁片上，觀察是否有氣泡產(chǎn)生及重鉻酸鉀顏色變化。2.3.4鋁片的翠綠著色（1）分別取第1、2、3組陽極氧化完畢的鋁片各一片，經(jīng)自來水、去離子水沖洗干凈后，放入翠綠著色液中著色10min；（2）將著色后的鋁片表面染料沖洗干凈，放入沸水中進行封閉處理10min。2.

12、3.5鋁片的膜厚測定（1）分別取第1、2組陽極氧化完畢的鋁片各一片，洗凈后吹干，用分析天平稱重并記錄mi；（2）溶膜處理：將鋁片分別浸于90度左右的溶膜液（磷酸和）組成）中煮10 min；（3）取出鋁片用水沖洗、吹干后用天平稱出退膜后鋁片的質(zhì)量ms；（4）分別計算第1、2組鋁片的膜厚值。（由于實驗中出現(xiàn)了一點小事故，導(dǎo)致第3組鋁片無法脫膜，故只得到前兩組的膜厚數(shù)據(jù)。）3 結(jié)果與討論3.1 實驗結(jié)果（包括數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)象描述）3.3.1鋁片的預(yù)處理（1）鋁片的裁剪：剪下3組（3片/組）共9片1cm×7cm的鋁片（實際進入電解質(zhì)溶液中的有效面積為1cm×3.7cm：）3.7cm（

13、2）鋁片的清洗：觀察到經(jīng)清洗后的鋁片表面變潔凈呈銀白色金屬光澤。(3)鋁片陽極氧化前測定的電阻如下表1 電阻記錄表組別123電阻15.315.714.7由上表可看出鋁片是良好的導(dǎo)體。3.3.2鋁片的陽極氧化檸檬酸的量及陽極氧化時的實際電流如下所示：表2 檸檬酸的用量及實際電流記錄表組別123檸檬酸用量g/L1235mA/cm3 對應(yīng)的電流（A）0.1080.1120.11715mA/cm3 對應(yīng)的電流（A）0.3350.3360.343觀察到陽極氧化后的鋁片表面金屬光澤消失，呈淺白色；三組氧化后的鋁片在色澤上無明顯區(qū)別。3.3.3絕緣性和耐蝕性經(jīng)測定，陽極氧化處理后的鋁片的電阻都超出了萬用電表

14、的最大量程。在氧化膜表面滴加重鉻酸鉀的鹽酸溶液，都沒有觀察到氣泡，且溶液的黃色長時間沒有變化，只有氧化膜的交界處的溶液變成綠色。3.3.4鋁片的翠綠著色著色后觀察到3組鋁片表面均呈翠綠色且光澤好，但有少量劃痕。進行封閉處理后，第1組鋁片顏色仍為均勻的翠綠色，第2組鋁片稍微變淡，第3組鋁片封閉過程中翠綠色發(fā)生脫色。3.3.5鋁片的膜厚測定(1)數(shù)據(jù)記錄及處理表3 氧化膜膜厚記錄及計算組別mi/gms/gA/cm2/m11.04071.024422.22.7220.96560.931922.25.62（2）計算公式 （mi-ms）×104= （=2.7g/cm3） A3.2 討論對于三個

15、組陽極氧化后的氧化膜，通過測試絕緣性、耐蝕性、翠綠著色、膜厚測定四個表征手段，可知：（1）絕緣性：通過陽極氧化后的3組的鋁片的電阻都超出了萬用電表的最大量程，說明添加了檸檬酸進行氧化后的鋁片絕緣性良好。（2）耐蝕性：三組鋁片在氧化膜表面滴加重鉻酸鉀的鹽酸溶液，都沒有觀察到氣泡，且溶液的黃色長時間沒有變化，說明添加了檸檬酸進行氧化后的鋁片耐蝕性良好。（3）著色效果：從肉眼觀察和金相顯微可知，三個組中第1組（即檸檬酸的添加量為1g/L）的氧化膜翠綠著色效果最佳，隨著檸檬酸的增加而效果變差；（4）膜厚測定：從表4可知，氧化膜的膜厚隨著檸檬酸添加量的增加而增加：表4 膜厚隨檸檬酸用量的變化關(guān)系檸檬酸添

16、加量（g/L）12膜厚/m2.725.62探討以下實驗結(jié)果可能的原因：（1）實驗所得3組鋁片絕緣性、耐腐蝕性能都很好:可能是因為檸檬酸的添加有助于形成比較致密均勻的氧化鋁薄膜。（2）著色效果隨著檸檬酸的添加而變差的原因可能有：查文獻可知染色質(zhì)量與膜層厚度、粗糙度等有關(guān)。膜層具有足夠的厚度和孔隙率以及最大的透明度，就能獲得最佳染色質(zhì)量。如果氧化膜的孔徑過大，易使工件表面粗糙，粗糙的膜層吸附能力差，得到色彩不鮮艷，孔隙率低的氧化膜吸附染料量少，得到的色淺。所以著色效果隨著檸檬酸的添加而變差可能是檸檬酸的添加使得氧化膜的孔徑變大造成的。由于組員的錯誤操作，將第三組鋁片從翠綠著色液浸泡后轉(zhuǎn)移到乙醇而不是去離子水沖洗，可能導(dǎo)致翠綠著色液的吸附不牢，導(dǎo)致在沸水中封閉時出現(xiàn)明顯脫色；（3）膜厚隨著檸檬酸的添加而增大的原因：檸檬酸的添加會導(dǎo)致氧化膜的生成速率大于膜的溶解速率，延遲兩者達到平衡的時間，從而導(dǎo)致膜的厚度增加。4 結(jié)論在固定電解液的硫酸濃度為20%、通電時間為15min、電流密度為15mA/cm、2室溫條件，探討檸檬酸的添加量為1g/L,2g/L,3g/L這三種條件對陽極氧化膜的影響：檸檬酸的添加有助于形成比