鋁的陽極氧化與表面著色物化實驗報告

1、鋁的陽極氧化和著色-氧化時間對氧化膜性能的影響1研究進(jìn)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(qiáng)，易于成形，價格廉價等優(yōu)點在輕工，建材，航天等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。鋁在空氣中可自然形成一層氧化膜，起到一定的防護(hù)作用，但這種在空氣中 自然形成的膜性能并缺乏以真正地保護(hù)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(qiáng)的吸附性，可對其進(jìn)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(jī)酸法和混合酸法等。陽極氧化使

2、用的電源從開始時的直流電，開展到交流電、交直流疊加、方波脈沖電源等。用硫酸配電解液直流電進(jìn)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、操作簡便和本錢低等優(yōu)點。 硫酸具有強(qiáng)導(dǎo)電性，所以氧化時所需的電壓低，而且它對新生成的氧化膜有較強(qiáng) 的溶解作用，不宜長時間通電，通電 10-15min即可獲得厚度為5-20卩m的氧化 膜，膜的硬度高、孔隙多、吸附力強(qiáng)、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(jìn)行陽極氧化時，/dm2。2實驗局部2.1實驗原理鋁的陽極氧化鋁制品作陽極，以硫酸等酸為電解液進(jìn)行陽極氧化，形成較厚的Al 203氧化膜：陰極：2H+ + 2e_-陽極：Al

3、+ 3e_Al3+Al3+ + 3FbO AI(OH) 3+ 3H+AI(OH)3 Al 2Q+ 3H2O由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱點會發(fā)生局部溶解AI2O + 6H+ =2Al3+ 3HO，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(bǔ)，氧化反響不斷縱深開展，從而使制品外表生成 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AbQ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。鋁氧化膜的著色由于氧化膜外表是由多孔層構(gòu)成且比外表積大， 具有很高的化學(xué)活性，因而 可以對氧化膜進(jìn)行

4、外表著色。陽極氧化膜著色方法大體有三種類型：浸漬著色、電解著色和整體著色。本 實驗主要是浸漬著色翠綠著色。氧化膜對翠綠色有機(jī)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(jī)著色液官能團(tuán)發(fā)生絡(luò)合反響。氧化膜的封閉處理氧化膜的外表多孔，在這些孔隙中可以吸附染料也可以吸附結(jié)晶水?？梢杂?沸水法將著色好的鋁片進(jìn)行封閉處理，其原理是利用無水Al 2Q發(fā)生水化作用：AI2Q + HO=A2Q H2OAI2Q + 3HO=AbQ 3H2O由于氧化膜外表和孔壁的AI2Q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)計探討因素預(yù)處理、電解液的種類、電解液的濃度、氧化溫度、氧化電壓、超聲波等在

5、 多孔氧化鋁膜的制備過程中，都會對其成膜成孔產(chǎn)生影響。本次實驗主要探討以 下的影響因素：(1)電解液的濃度對于酸性電解液來說，隨著電解液的濃度的不斷增大，氧化膜的極限厚度先 增大而后減小。這種變化歸根到底是 H+的濃度的變化造成的。電解液中H+的濃度對氧化鋁膜厚度有兩方面的影響：一方面，H+的濃度增大， 電解液的電導(dǎo)率增大，在相同電壓下，電流密度升高，促進(jìn)了氧化鋁膜厚度的增 加；另一方面，H的濃度的增大也加速了氧化膜的溶解。隨著 H的濃度升高，首 先前者占主導(dǎo)，膜厚度增大；當(dāng)其濃度升高到一定值時，后者開始占主導(dǎo)，此時 膜厚度開始減小。電解液的濃度很低時，氧化鋁膜不能形成；而其濃度過高時，酸液的

6、腐蝕性 也會將氧化層腐蝕掉。因此，在制備過程中，電解液的濃度應(yīng)控制在一定的范圍 內(nèi)。陽極電流濃度氧化電壓電流密度對多孔氧化鋁膜的孔徑及生長分布都有一定的影響。 電壓低時，陽極氧化反響比擬緩慢，氧化膜在電解液中的溶解速率大于生長速率， 由體積膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力較小，缺乏以使納米孔有序分布，形成的納米孔直徑也較 小。隨著氧化電壓的升高，陽極氧化電流密度增大，氧化鋁膜的生成速率加快， 多孔氧化鋁膜的厚度增加；同時應(yīng)力增大，孔徑也隨之增大，孔密度降低，納米 孔的排列也更加整齊。在孔洞生長過程中，由于自催化作用，孔洞之間相互競爭 開展，局部小孔開展較快，成為大孔洞；而與之相鄰的小孔生長速率變慢，逐漸 停止開

7、展。氧化電壓也不宜過高，這是因為電壓過高，反響放出的熱量較多，氧 化反響過于劇烈，不利于納米孔道的形成。(3) 氧化時間隨著氧化時間的延長，膜的不斷溶解或修補(bǔ)，氧化反響得以向縱深開展，從而使制品外表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、活性層厚度至氧化結(jié)束根本都不變，位置卻不斷向深處推 移；在一定的氧化時間內(nèi)隨時間而增厚。(4) 添加劑與雜質(zhì)的影響電解電壓、電解質(zhì)種類以及添加劑等因素對氧化鋁多孔膜的形成過程有顯著 影響。添加劑可控制膜的彈性、均勻性、氧化速度、溫度上限等。對提高陽極氧 化工作溫度的研究已有不少報道，如在硫酸電解液中添加鎳鹽、添加硅烷、添加 二

8、按酸、添加酒石酸等，都可擴(kuò)大鋁及其合金的陽極氧化溫度范圍， 特別是提高 溫度豐限。根據(jù)實驗室具體情況，選取不同的影響因素分組進(jìn)行探討， 其它因素取文獻(xiàn) 中最正確工藝。 電解液的濃度； 陽極電流密度； 氧化時間； 添加劑與雜質(zhì)的影響。由于實驗時間和器材的限制，我們這一小組負(fù)責(zé) 氧化時間對陽極氧化膜的影 響。固定電解液的硫酸濃度為 20%電流密度為15mA/crK室溫條件、無添加劑 的情況下，探討不同氧化時間對陽極氧化膜的影響： 10min、20min、30min三個 不同的氧化時間。表征手段 翠綠著色：對三個氧化時間下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片分別進(jìn)行翠綠著色10mi n，并作圭寸閉處理； 耐腐蝕實驗

9、：分別在三個氧化時間下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片的外表滴一滴 重鉻酸鉀的鹽酸溶液，觀察氣泡產(chǎn)生與液滴變綠的時間。 氧化膜厚度測定：對三個氧化時間下進(jìn)行陽極氧化過的鋁片分別作氧化膜 厚度測定，測定公式為：m-mdx 104p A式中，s為膜的厚度，卩m m為成膜后鋁片的質(zhì)量，g; m為退膜后鋁片的 質(zhì)量，g；p為氧化膜的密度，/cm3； A為膜外表積，ent測定方法：將鋁片置于分析天平上稱重；將鋁片浸于K的溶膜液磷酸和CrQ組成中煮10mi n；取出鋁片用水沖洗，浸入無水乙醇中，再取出晾干； 再用天平稱出鋁片的質(zhì)量 m ;計算膜厚S值所需儀器藥品1電極與試劑 電極：鋁片1emx3cm, 9片，鉛網(wǎng)；

10、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：20僦酸溶液； 著色試劑：翠綠著色液； 溶膜液；2儀器電解槽；WLS急流電源；分析天平；鑷子；電爐；電吹風(fēng)等。2.3實驗步驟鋁片的預(yù)處理1鋁片的裁剪：剪下3組3片/組，未剪斷共9片1emx 3cm的鋁片;2鋁片的清洗：用去污粉刷洗鋁片，然后用自來水沖洗干凈； 堿洗：3mol/L的氫氧化鈉溶液浸洗15s； 酸洗：2mol/L的硝酸溶液浸洗1min； 水洗：去離子水清洗，洗后將鋁片保存在去離子水中。鋁片的陽極氧化1以20%勺硫酸為電解液，第1組的3片鋁片為陽極只將有效面積內(nèi) 的鋁片浸入電解液，鉛網(wǎng)為陰極，調(diào)節(jié) WLS急流

11、電源上的電流為9A即電流密 度為5mA/cm，電解5min，然后調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源上的電流為，電解 5min。2其他條件不變，陽極改為第 2組的3片鋁片，調(diào)節(jié) WLS急流電源上的 電流為即電流密度為 5mA/cm，電解5min,然后調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源上的電流為， 電解15mi n。3其他條件不變，陽極改為第 3組的3片鋁片，調(diào)節(jié) WLS穩(wěn)流電源上的 電流為即電流密度為 5mA/cm，電解5min,然后調(diào)節(jié)穩(wěn)流電源上的電流為， 電解25min。注意：每組鋁片進(jìn)行陽極氧化的前五分鐘， 電流密度控制在5 mA/cm2以下。 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

12、凈后，放入翠綠著色液中著色 10mi n；2將著色后的鋁片外表染料沖洗干凈，放入沸水中進(jìn)行封閉處理10mi n。鋁片的質(zhì)量檢驗比擬：耐腐性實驗：分別取第1、2、3組陽極氧化完畢的鋁片各一片，放入沸水中 進(jìn)行封閉處理10mi n。然后在鋁的外表滴一滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液，觀察氣泡產(chǎn) 生與液滴變綠的時間。鋁片的膜厚測定：1分別取第1、2、3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 m ；2溶膜處理：將鋁片分別浸于溶膜液磷酸和crO3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、3組鋁片的膜厚S值。3結(jié)果與討論3.1實驗結(jié)果

13、包括數(shù)據(jù)處理，現(xiàn)象描述鋁片的預(yù)處理1鋁片的裁剪：剪下3組3 片/組共9片1cmX 3cm的鋁片:JCL1I2鋁片經(jīng)過預(yù)處理之后，帶著一點銀白色，金屬光澤比擬黯淡。將鋁片 投入氫氧化鈉的溶液中，可看到出現(xiàn)大量氣泡，產(chǎn)生大量氣體。投入硝酸之后， 沒有很明顯的現(xiàn)象出現(xiàn)。鋁片經(jīng)清洗后外表變得潔凈且呈銀白色金屬光澤，在陽 光下可以看到閃閃發(fā)亮。鋁片的陽極氧化觀察到三組氧化后的鋁片在色澤上無明顯區(qū)別，陽極氧化后的鋁片外表的金 屬光澤消失，呈淺白色；三組條件下所得的鋁氧化膜外表均勻細(xì)致。鋁片的翠綠著色著色后觀察到鋁片外表變?yōu)榫鶆虻拇渚G色，并且第1、2、3組的鋁片顏色依次變深；但在進(jìn)行封閉處理后，第1組鋁片顏

14、色變淡很多，幾乎沒有染色，2、3組 鋁片顏色無明顯變化，稍微變淡。原因是第1組的鋁片在氧化后掉在地上，被污染了。因此第1組的鋁片沒有 染上翠綠色，可以看到鋁片上沾滿了灰塵，污染很嚴(yán)重。但根據(jù) 2、3組鋁片的 染色情況，可推測第1、2、3組的鋁片顏色應(yīng)該是依次變深的。鋁片的膜厚測定(1)數(shù)據(jù)記錄及處理表1氧化膜膜厚記錄及計算組mi/gns/gA/cmf3 /卩m1620.40610.3946630.38130.365362計算公式m-mx 104S = p =/cm3p A有上式可計算膜厚度3。鋁片的耐腐蝕實驗在耐腐蝕實驗中，滴加重鉻酸鉀溶液后，因為冒氣泡和變綠的時間都挺長,因此記錄的時間都是大

15、約的時間。實驗現(xiàn)象如下:組冒氣泡時間/min變綠時間/min1三60三302三120三1203三30三303.2討論文獻(xiàn)值參考通過查找文獻(xiàn)，可知隨著時間的增加30min,膜層增厚，鋁外表形成阻擋 層，這個階段氧化膜的形成速度遠(yuǎn)大于溶解速度， 表現(xiàn)為硬度增加，硬度增加是 因為在通電的初始階段形成了致密的、連續(xù)的、無孔的氧化膜。但隨著時間的延長，電解液開始對膜層溶解而形成孔隙，而時間延長電解液 溫度也升高，無孔層變成了多孔層，膜層變薄，硬度下降。分析討論對于三個組陽極氧化后的氧化膜，通過翠綠著色、膜厚測定和耐腐蝕實驗三 個表征手段，可知：1根據(jù)三組不同氧化時間的鋁片的著色和膜厚度的表征，可以看到氧

16、化 時間越長，著色越好，膜厚度越厚。這說明了在本次實驗中氧化時間10min、20min、30min，鋁片的陽極氧化膜的性能較好。23組氧化后的鋁片外表都是均勻而細(xì)致，金屬光澤消失，呈銀白色； 但是在耐腐蝕實驗中，滴加重鉻酸鉀溶液后，第 1、2組的鋁片在較長的時間都 沒有變色和冒氣泡，而第3組的卻在較短時間內(nèi)變色和冒氣泡。 這是因為在本次 實驗中的失誤。由于在實驗過程中過于忙亂，組員不小心將封閉后的鋁片投入溶 膜液中并加熱了。因此第3組的鋁片在耐腐蝕實驗中很快就變色和冒氣泡。3關(guān)于耐腐蝕性的鑒定，第1、2組的鋁片在30min之內(nèi)三者都很接近， 腐蝕液沒有變色，鋁片外表也沒有氣泡，所以無法做出比擬

17、。說明在這些條件下 生成的氧化膜質(zhì)量都比擬高，耐腐蝕性能好。4在三個組中第3組即氧化時間為30min的氧化膜翠綠著色效果最 正確且膜的厚度最厚耐腐蝕實驗有失誤，這說明了氧化時間為30min的條件 是最正確的。但根據(jù)文獻(xiàn)顯示：隨著時間的延長，電解液開始對膜層溶解而形成 孔隙，而時間延長電解液溫度也升高，無孔層變成了多孔層，膜層變薄，硬度下 降。因此并不是氧化時間越長，氧化膜就會越厚，而是在這個實驗中沒有探究更 長的氧化時間，以便確定氧化膜厚隨氧化時間的變化出現(xiàn)最大值時的最正確氧化 時間。討論1：探討實驗結(jié)果可能的原因:13組氧化后的鋁片外表都是均勻而細(xì)致，說明鋁片的預(yù)處理做得好， 氧化均勻，等到

18、的氧化膜性能較好。但是在表征實驗過程中手忙腳亂出現(xiàn)了失誤， 造成了實驗結(jié)果的不準(zhǔn)確。2理論上電流密度為15 mA/cm2時陽極氧化得到的氧化膜的電流密度為 最正確的，但是在實際操作過程中并不是 15 mA/cm2, 一方面是恒流儀的電流難 以控制為指定值，另一方面是所用的鋁片的面積測量不是很準(zhǔn)確。3在整個實驗過程中，每組實驗都沒有換新的硫酸電解液，隨著實驗的 進(jìn)行，硫酸電解液的濃度不斷下降，使結(jié)果出現(xiàn)偏差。3本組實驗是探究氧化時間對氧化膜性能的影響， 但是由于時間的限制， 只做了三個不同的氧化時間，氧化時間個數(shù)太少，難以得到氧化時間對氧化膜影 響的結(jié)果。4在做這個實驗中最大的問題就是失誤了。 例如氧化后的鋁片掉到地上， 被污染