鋁的陽極氧化與表面著色華師

1、文檔編碼 : CM3B10G9X3L1 HO5N2J3G2Z9 ZG2H4P4T6V7. 鋁的陽極氧化與表面著色同學(xué)姓名：xxx 1 班學(xué)號：xx 專業(yè)：化學(xué)師范年級班級：2022 級化教小組成員：xx 課程名稱：物理化學(xué)試驗(yàn)試驗(yàn)指導(dǎo)老師：xxx 一,前言1,試驗(yàn)背景試驗(yàn)時(shí)間：2022 年4 月27 日金屬的表面與四周的介質(zhì)發(fā)生化學(xué)作用或電化學(xué)作用,因而使金屬受到損壞 的現(xiàn)象,通常稱為金屬的腐蝕；金屬的腐蝕每年都給我們造成龐大的缺失；防止 金屬腐蝕的方法之一是在金屬表面形成氧化膜疼惜層；不少金屬存在著自然的氧 化膜,但它們多數(shù)起不到疼惜層的作用；鋁及鋁合金具有密度小,比強(qiáng)度高,導(dǎo)電和導(dǎo)熱性好,

2、成型簡潔,無低溫脆 性等優(yōu)點(diǎn),是一種綜合性能優(yōu)良的輕金屬材料；目前,鋁材在航空航天工業(yè)及建 筑材料,交通工具,電子產(chǎn)品等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用；鋁對氧的化學(xué)親和力 特別強(qiáng),在大氣中其表面總是被一層透亮的氧化膜所掩蓋,但是自然的鋁氧化膜 極薄,只有4x10-3-5x10-3m,且孔隙率大,機(jī)械強(qiáng)度低,抗蝕和耐磨性都不能 中意防腐蝕的需要；利用電化學(xué)方法,可使鋁（或鋁的合金）表面生成致密的優(yōu)質(zhì)氧化膜,且膜 較厚,其厚度可達(dá)幾十至幾百微米,能有效地提高鋁的耐腐蝕性；這種使鋁表面 氧化的電化學(xué)工藝稱為鋁的陽極氧化；另外,由于所形成的氧化膜存在勻稱的孔 隙,仍可以用有機(jī)染料進(jìn)行染色,經(jīng)封密后色澤穩(wěn)固,使

3、鋁材的應(yīng)用更加廣泛；2,試驗(yàn)要求1）學(xué)習(xí)鋁（或鋁合金）的陽極氧化工藝,明白對金屬表面處理的一般方法；2）通過對陽極氧化原理的學(xué)習(xí),自己設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,明白和探討鋁在陽極氧化 過程中,影響氧化膜厚度和性能的各種因素；3）對氧化膜的質(zhì)量評判,包括絕緣性,耐腐蝕性,氧化膜厚度等；;. 第 1 頁,共 8 頁. 2. 試驗(yàn)部分試驗(yàn)原理 鋁陽極氧化原理（1）將鋁制品作陽極,以硫酸,鉻酸,磷酸,草酸等為電解液進(jìn)行陽極氧化,可形成較厚的氧化膜,膜的主要成分是Al2O3,其反應(yīng)歷程比較復(fù)雜；現(xiàn)在以Al 為 陽極,Pb 為陰極,H2 SO4 溶液為電解質(zhì)介紹其反應(yīng)原理；電解時(shí)的電極反應(yīng)為：陰極：2 H 2 e H

4、2氧化膜形成陽極：Al 3e 3 Al 3 Al 3H 2O AlOH 33H AlOH 3Al 2 O3 3H 2O 陽極上的Al 被氧化,且在表面上形成一層氧化鋁薄膜的同時(shí),由于陽極反應(yīng)生成 的H+ 和電解質(zhì)H2SO4 中的H+ 都能使所形成的氧化膜發(fā)生溶解：Al 2 O 36H Al 33H 2 O 在硫酸電解液中陽極氧化,作為陽極的鋁制品,在陽極化初始的短臨時(shí)間內(nèi),其表面受到勻稱氧化,生成極薄而又特別致密的膜,由于硫酸溶液的作用,膜的 最弱點(diǎn)（如晶界,雜質(zhì)密集點(diǎn),晶格缺陷或結(jié)構(gòu)變形處）發(fā)生局部溶解,而顯現(xiàn) 大量孔隙,即原生氧化中心,使基體金屬能與進(jìn)入孔隙的電解液接觸,電流也因 此得以連

5、續(xù)傳導(dǎo),新生成的氧離子就用來氧化新的金屬,并以孔底為中心而開放,最終匯合,在舊膜與金屬之間形成一層新膜,使得局部溶解的舊膜猶如得到“修 補(bǔ)”似的；隨著氧化時(shí)間的延長,膜的不斷溶解或修補(bǔ),氧化反應(yīng)得以向縱深發(fā) 展,從而使制品表面生成又薄而致密的內(nèi)層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜；其內(nèi)層（阻擋層,介電層,活性層）厚度至氧化終止基本都不變,位置卻不斷向 深處推移；在確定的氧化時(shí)間內(nèi)隨時(shí)間而增厚；陽極氧化膜的生長是在膜的生成 和溶解這一沖突過程中發(fā)生和進(jìn)展的；要使Al2O3氧化膜順當(dāng)形成,并達(dá)到確定厚度,必需使電極上氧化膜形成的速 率大于氧化膜溶解的速率,這要通過把握確定的氧化條件來實(shí)現(xiàn)；假如是在強(qiáng)酸

6、 的電解液中,陽極上的金屬離子不斷地從金屬本體溶解,根本不能形成氧化膜；;. 第 2 頁,共 8 頁. 如在弱酸中,陽極產(chǎn)物在電解液中不溶解,就氧化膜很快形成并掩蓋金屬,電阻 增大,使電化學(xué)反應(yīng)不能正常進(jìn)行；因此,要嚴(yán)格把握硫酸的濃度；鋁的陽極氧化和著色工藝要求形成的膜既有確定厚度,又要在膜上有勻稱的孔隙,以保證電流的通過及將來著色；這是一個(gè)既有膜的生長又相伴有膜的溶解 的電極過程；由于膜的不斷生長與加厚,致使電阻不斷增加,從而使膜的生長速率漸緩,此時(shí)膜的形成速率與膜的溶解速率達(dá)到動態(tài)平穩(wěn),膜的厚度就不會變化 了；實(shí)踐說明, 影響氧化膜厚度和性能的主要因素包括：a）電解液的濃度 硫酸的濃度高,

7、膜的溶解速率快,膜層薄,防護(hù)性能下降,但膜的孔隙率高,便于著色；硫酸的濃度低時(shí)就和上述相反；可以通過試驗(yàn)來探討確定相宜的電解質(zhì)濃度,兼顧防護(hù)和著色；實(shí)際生產(chǎn)中一般硫酸濃度為：b）陽極電流密度200-250 g/L ；較高的電流密度雖有利于膜厚度的增加,但簡潔造成鋁片表面過熱而使氧化 膜疏松；可以通過試驗(yàn)來挑選相宜的電流密度；實(shí)際生產(chǎn)中 150-200 A/m ；2c）電解槽溫度 槽溫過高,會加速氧化氧化膜的溶解；溫度過低,膜層發(fā)脆,氧化耗時(shí)；應(yīng) 結(jié)合電流密度來挑選相宜的槽溫；d）氧化時(shí)間 由于陽極上同時(shí)存在膜的形成和溶解兩個(gè)過程,所以膜不會無限地增厚,鋁的陽極氧化膜一般不會超過35 微米；膜的

8、厚度與氧化時(shí)間的體會關(guān)系式要視詳細(xì)的工藝條件來確定,如當(dāng)硫酸的濃度為2 200 g/L ,電流密度為1 A/cm ,槽溫在15-20 時(shí),膜厚與氧化時(shí)間的體會關(guān)系為：膜厚/ m0.28 時(shí)間min；要注意,當(dāng)工藝條件轉(zhuǎn)變時(shí),此關(guān)系式也會有所變化；e）添加劑與雜質(zhì)的影響 目前已知甘油,硫酸銨等可把握膜的彈性；鉻酸鹽,膠體等可提高膜的勻稱3+ 性；適量Al 3+ -對膜形成有利,過量Al 會使膜變??；雜質(zhì)Cl 會使膜產(chǎn)生腐蝕砂眼等等；攪拌,電流波形等外界條件也會對氧化膜的性質(zhì),外觀等產(chǎn)生影響；鋁氧化膜的封閉處理氧化膜的表面是多孔的（約為每平方厘米億個(gè)）,在這些孔隙中可吸;. 第 3 頁,共 8 頁

9、. 附染料,也可吸附結(jié)晶水；由于吸附性強(qiáng),如不準(zhǔn)時(shí)處理,也可能吸附雜質(zhì)而被 污染,所以要準(zhǔn)時(shí)進(jìn)行填充處理,從而提高多孔膜的強(qiáng)度等性能；封閉處理的方法許多,如沸水法,高壓蒸氣法,浸漬金屬鹽法和填充有機(jī)物法（油,合成樹脂）等；眾多方法中就用最廣的是沸水法；沸水法是將鋁片放入沸水中煮,其原理是利用無水三氧化二鋁發(fā)生水化作用；Al2O3+ H2O Al 2O3 H2O Al2O3+ 3H2O Al 2O33H2O 由于氧化膜表面和孔壁的Al2O3水化的結(jié)果,使氧化物體積增大,將孔隙封閉；沸水封閉時(shí),水的pH 值應(yīng)把握在4.5 6.5 之間,pH 值太高會造成“堿蝕”；3）鋁氧化膜的著色處理 氧化膜的著

10、色應(yīng)在氧化終止后立刻進(jìn)行；將陽極氧化處理得到的新奇氧化膜鋁片直接用水沖洗潔凈,立刻放入著色液中著色；著色時(shí)留意染料的純度,水溫約在4060 ,不能太高；適當(dāng)加熱可加速染色,但水溫太高會造成氧化膜的孔隙過早封閉,降低吸附染料的性能,pH 值在之間為宜,著色時(shí)間視需顏色的深淺而定；另外,也可以嘗試進(jìn)行電解著色；將未著色的鋁片作陰極進(jìn)行電解著色,如如要著紅褐色,電解液用五水硫酸銅（25 g/L ）,硫酸（30 g/L ）；此外,硫酸鎳等也可以作為電解著色的電解質(zhì),電解著色后再進(jìn)行水封閉處理；由于多孔膜的特別性質(zhì),除了可以應(yīng)用于著色外,近年來有人利用它作為模 板,在孔中填充金屬或半導(dǎo)體材料,用來制備磁

11、記錄材料,功能電極,電學(xué)或光 學(xué)器件等；4）鋁氧化膜的質(zhì)量檢驗(yàn) 對不同條件下形成的氧化膜的性能及孔隙等的質(zhì)量評判,可以通過透射電鏡（）的平面形貌分析,掃描電鏡（）的橫斷形貌分析,俄歇電子光 譜（）的濃度分析等測試手段進(jìn)行,但這都需要用到特別的儀器；就本實(shí) 驗(yàn)來說,可以從氧化膜的絕緣性,耐腐蝕性,膜厚度三個(gè)方面粗略地檢驗(yàn)；試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)依據(jù)實(shí)際情形,每組同學(xué)挑選陽極氧化中的1-2 個(gè)影響因素加以探討；在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)要留意,當(dāng)爭論某個(gè)影響因素時(shí),其它工藝條件必需是固定的,盡量用最 ;. 第 4 頁,共 8 頁. 佳條件來固定；例如,爭論電解電流對氧化膜形成過程的影響時(shí),必需在固定電解質(zhì)的濃度,溫度準(zhǔn)時(shí)

12、間的條件下來轉(zhuǎn)變電解電流；3,儀器試劑（1）電極與試劑電極：鋁片,鉛片鋁表面預(yù)處理試劑：去污粉,氫氧化鈉溶液（3mol/L ）,硝酸溶液（2mol/L ）；電解液：25%的硫酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）,98%的濃硫酸 著色試劑：染料酸性元青,酸性大紅,直接耐曬翠綠,活性艷橙；電解著色可用五水硫酸銅,硫酸鎳；其它：氨水,三氧化鉻,重鉻酸鉀,溶膜液,鹽酸,火棉膠,無水酒精等；（2）儀器電解槽；溫度計(jì)；WLS 穩(wěn)流電源；分析天平；恒溫 槽；刀,鑷子,萬用電表,電爐,電吹風(fēng)等試驗(yàn)步驟（1）鋁片的表面預(yù)處理表面預(yù)處理的目的是清潔鋁的表面；步驟：用去污粉刷洗鋁片,然后用自來水沖洗潔凈；其它：燒杯,稱量紙,剪將鋁片放在

13、3mol/L 的氫氧化鈉溶液中,浸 30s,取出后用自來水沖洗,如油污 已除凈,鋁片的表面不會掛水珠. 再將鋁片放在2mol/L 的硝酸溶液中浸60s,取出后用自來水沖洗潔凈,以除去 堿處理時(shí)鋁表面沉積的雜質(zhì)及中各所吸附的堿；再用蒸餾水沖洗潔凈；洗凈的鋁片存放于盛水的燒杯中待用；（2）鋁的陽極氧化 鋁的陽極氧化有兩種方法,其一是用直流電流,鋁始終是作陽極；其二是用 交直流電疊加,鋁間歇地做陽極,陰極；后者操作工藝條件不好把握,本試驗(yàn)采 用前者進(jìn)行；用直流穩(wěn)壓電源,鋁片做陽極,鉛或鉑做陰極；先將電源調(diào)劑電流強(qiáng)度的旋鈕回零,將電源的正負(fù)極分別與第一組的 3 片鋁片 和鉛網(wǎng)連接,加入10%的硫酸溶液

14、作為電解液,調(diào)劑電流密度小于 5 mA/cm 2（即;. 第 5 頁,共 8 頁. 小于A）,電解5min；再調(diào)劑電流密度至 0405mA）,電解15min；15 mA/cm 2（即電流強(qiáng)度為其他條件不變,陽極改為第 2 組的3 片鋁片,將電解液換為20%的硫酸溶液,重復(fù)上述步驟,電解15min；其他條件不變,陽極改為第3 組的3 片鋁片,將電解液換為33%的硫酸溶液,重復(fù)上述步驟,電解15min；參考工藝條件：a）電解液的硫酸濃度為 15%左右；2 b）電流密度為 10-15 mA/cm ；c）通電時(shí)間為 20 min 左右；d）溫度為1520或自設(shè)定；e）添加劑甘油,草酸等的濃度的影響 ）

15、對已氧化好的鋁片進(jìn)行后處理a）氧化膜的封閉處理用去離子水煮沸10 min,水的pH 值應(yīng)把握在之間；煮沸后取出,放入無水酒精中數(shù)秒后再晾干；b）氧化膜著色 將陽極氧化處理得到的新奇氧化膜鋁片直接用水沖洗潔凈,立刻放入著色液中著色；著色時(shí)留意染料的純度,pH 值在7.0 之間為宜,水溫約在4060,著色時(shí)間視需顏色的深淺而定；染色后的鋁片經(jīng)水沖洗潔凈后,再進(jìn)行水封閉處理（4）對已處理的,形成氧化膜的鋁片進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)比較a 絕緣性試驗(yàn) 用萬用電表測定鋁片表面兩點(diǎn)間電阻的差別來比較b 耐腐蝕試驗(yàn) 在鋁片表面滴一滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液,觀看氣泡產(chǎn)生與液滴變綠的時(shí)間；c氧化膜厚度測定測定公式為：4 mim

16、s 10 / A 式中, 為膜的厚度（ m）；;. 第 6 頁,共 8 頁. 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,22；A 為膜表面積,cm 測定方法：a.分別取第1,2,3 組陽極氧化完畢的鋁片各一片,用去離子水洗凈后吹干,用分析天平稱重并記錄mi；b.將鋁片分別浸于溶膜液（磷酸和 H2O 20cm ）中煮10 min；33 CrO3 組成：CrO3固 15g；H3PO4液 30cm ；c 取出鋁片用去離子水沖洗,吹干；d 再用天平稱出鋁片的質(zhì)量ms ; e 運(yùn)算膜厚 值；3. 結(jié)果與爭論試驗(yàn)結(jié)果 鋁片的預(yù)處理鋁片的裁剪：剪下3 組（3 片/組）共9 片1cm3cm 的鋁片如下圖所示：3cm 1cm 鋁片的清洗：觀看到經(jīng)清洗后的鋁片表面變潔凈呈銀白色金屬光澤；鋁片的陽極氧化 觀看到陽極氧化后的鋁片表面金屬光澤消逝,呈淺白色；三組氧化后的鋁片在色澤上無明顯區(qū)分,3 組條件下所得的鋁氧化膜表面勻稱細(xì)致；絕緣性試驗(yàn)與耐腐蝕試驗(yàn) 3 組鋁片的電阻都是無窮大,在耐腐蝕試驗(yàn)中,滴加重鉻酸鉀溶液后,在整個(gè) 試驗(yàn)過程中都沒有變色和冒氣泡；鋁片的翠綠著色;. 著色后觀看到鋁片表面變?yōu)閯蚍Q的翠綠色,第 2,1,3 組的鋁片顏色依次變. 深；進(jìn)行封閉處理后,1,2,3 組鋁片顏色無明顯變化；鋁片的膜厚測定1數(shù)據(jù)記錄及處理