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姓名：xxx 1 班學號：xx 專業(yè)：化學師范年級班級：2022 級化教小組成員：xx 課程名稱：物理化學試驗試驗指導老師：xxx 一,前言1,試驗背景試驗時間：2022 年4 月27 日金屬的表面與四周的介質發(fā)生化學作用或電化學作用,因而使金屬受到損壞 的現象,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,但它們多數起不到疼惜層的作用；鋁及鋁合金具有密度小,比強度高,導電和導熱性好,

2、成型簡潔,無低溫脆 性等優(yōu)點,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,電子產品等領域中得到了廣泛的應用；鋁對氧的化學親和力 特別強,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,機械強度低,抗蝕和耐磨性都不能 中意防腐蝕的需要；利用電化學方法,可使鋁（或鋁的合金）表面生成致密的優(yōu)質氧化膜,且膜 較厚,其厚度可達幾十至幾百微米,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,仍可以用有機染料進行染色,經封密后色澤穩(wěn)固,使

3、鋁材的應用更加廣泛；2,試驗要求1）學習鋁（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習,自己設計試驗方案,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. 試驗部分試驗原理 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,其反應歷程比較復雜；現在以Al 為 陽極,Pb 為陰極,H2 SO4 溶液為電解質介紹其反應原理；電解時的電極反應為：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,由于陽極反應生成 的H+ 和電解質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間內,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（如晶界,雜質密集點,晶格缺陷或結構變形處）發(fā)生局部溶解,而顯現 大量孔隙,即原生氧化中心,使基體金屬能與進入孔隙的電解液接觸,電流也因 此得以連

5、續(xù)傳導,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”似的；隨著氧化時間的延長,膜的不斷溶解或修補,氧化反應得以向縱深發(fā) 展,從而使制品表面生成又薄而致密的內層和厚而多孔的外層所組成的氧化膜；其內層（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；在確定的氧化時間內隨時間而增厚；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)生和進展的；要使Al2O3氧化膜順當形成,并達到確定厚度,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現；假如是在強酸

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,使電化學反應不能正常進行；因此,要嚴格把握硫酸的濃度；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,此時膜的形成速率與膜的溶解速率達到動態(tài)平穩(wěn),膜的厚度就不會變化 了；實踐說明, 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,防護性能下降,但膜的孔隙率高,便于著色；硫酸的濃度低時就和上述相反；可以通過試驗來探討確定相宜的電解質濃度,兼顧防護和著色；實際生產中一般硫酸濃度為：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；可以通過試驗來挑選相宜的電流密度；實際生產中 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；應 結合電流密度來挑選相宜的槽溫；d）氧化時間 由于陽極上同時存在膜的形成和溶解兩個過程,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、厚度與氧化時間的體會關系式要視詳細的工藝條件來確定,如當硫酸的濃度為2 200 g/L ,電流密度為1 A/cm ,槽溫在15-20 時,膜厚與氧化時間的體會關系為：膜厚/ m0.28 時間min；要注意,當工藝條件轉變時,此關系式也會有所變化；e）添加劑與雜質的影響 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Cl 會使膜產生腐蝕砂眼等等；攪拌,電流波形等外界條件也會對氧化膜的性質,外觀等產生影響；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）,在這些孔隙中可吸;. 第 3 頁,共 8 頁

9、. 附染料,也可吸附結晶水；由于吸附性強,如不準時處理,也可能吸附雜質而被 污染,所以要準時進行填充處理,從而提高多孔膜的強度等性能；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水化的結果,使氧化物體積增大,將孔隙封閉；沸水封閉時,水的pH 值應把握在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、色應在氧化終止后立刻進行；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；著色時留意染料的純度,水溫約在4060 ,不能太高；適當加熱可加速染色,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,著色時間視需顏色的深淺而定；另外,也可以嘗試進行電解著色；將未著色的鋁片作陰極進行電解著色,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,電解著色后再進行水封閉處理；由于多孔膜的特別性質,除了可以應用于著色外,近年來有人利用它作為模 板,在孔中填充金屬或半導體材料,用來制備磁

11、記錄材料,功能電極,電學或光 學器件等；4）鋁氧化膜的質量檢驗 對不同條件下形成的氧化膜的性能及孔隙等的質量評判,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行,但這都需要用到特別的儀器；就本實 驗來說,可以從氧化膜的絕緣性,耐腐蝕性,膜厚度三個方面粗略地檢驗；試驗方案設計依據實際情形,每組同學挑選陽極氧化中的1-2 個影響因素加以探討；在設計試驗時要留意,當爭論某個影響因素時,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,必需在固定電解質的濃度,溫度準時

12、間的條件下來轉變電解電流；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（質量分數）,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；WLS 穩(wěn)流電源；分析天平；恒溫 槽；刀,鑷子,萬用電表,電爐,電吹風等試驗步驟（1）鋁片的表面預處理表面預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 堿處理時鋁表面沉積的雜質及中各所吸附的堿；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,本試驗采 用前者進行；用直流穩(wěn)壓電源,鋁片做陽極,鉛或鉑做陰極；先將電源調劑電流強度的旋鈕回零,將電源的正負極分別與第一組的 3 片鋁片 和鉛網連接,加入10%的硫酸溶液

14、作為電解液,調劑電流密度小于 5 mA/cm 2（即;. 第 5 頁,共 8 頁. 小于A）,電解5min；再調劑電流密度至 0405mA）,電解15min；15 mA/cm 2（即電流強度為其他條件不變,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）通電時間為 20 min 左右；d）溫度為1520或自設定；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 值應把握在之間；煮沸后取出,放入無水酒精中數秒后再晾干；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；著色時留意染料的純度,pH 值在7.0 之間為宜,水溫約在4060,著色時間視需顏色的深淺而定；染色后的鋁片經水沖洗潔凈后,再進行水封閉處理（4）對已處理的,形成氧化膜的鋁片進行質量檢驗比較a 絕緣性試驗 用萬用電表測定鋁片表面兩點間電阻的差別來比較b 耐腐蝕試驗 在鋁片表面滴一滴重鉻酸鉀的鹽酸溶液,觀看氣泡產生與液滴變綠的時間；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為成膜后鋁片的質量（g）；ms 為退膜后鋁片的質量（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量ms ; e 運算膜厚 值；3. 結果與爭論試驗結果 鋁片的預處理鋁片的裁剪：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致；絕緣性試驗與耐腐蝕試驗 3 組鋁片的電阻都是無窮大,在耐腐蝕試驗中,滴加重鉻酸鉀溶液后,在整個 試驗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數據記錄及處理