铝的阳极氧化与表面着色物化实验报告(2024120545)

1、铝的阳极氧化和着色-氧化时间对氧化膜性能的影响1研究进展铝由于其比重小，加工性能好，导电、热性能优良，塑性好，抗大气腐蚀能 力强，易于成形，价格廉价等优点在轻工，建材，航天等领域广泛应用。铝在空气中可自然形成一层氧化膜，起到一定的防护作用，但这种在空气中 自然形成的膜性能并缺乏以真正地保护铝基体。因而人们研究了各类方法以制得 性能优良的氧化膜，阳极氧化法是其中最为常用的一种。 阳极氧化膜不仅具有良 好的力学性能、很高的耐蚀性，同时还具有较强的吸附性，可对其进行着色处理 获得诱人的装饰外观。铝阳极氧化的方法可以根据是电解液的不同分为硫酸法、草酸法、铬酸法、磷酸法、有机酸法和混合酸法等。阳极氧化使

2、用的电源从开始时的直流电，开展到交流电、交直流叠加、方波脉冲电源等。用硫酸配电解液直流电进行阳极氧化， 是最为经典的方法，此法具有工艺简单、溶液稳定、操作简便和本钱低等优点。 硫酸具有强导电性，所以氧化时所需的电压低，而且它对新生成的氧化膜有较强 的溶解作用，不宜长时间通电，通电 10-15min即可获得厚度为5-20卩m的氧化 膜，膜的硬度高、孔隙多、吸附力强、易着色，将孔隙封闭后有较高的抗蚀能力。用硫酸配电解液直流电进行阳极氧化时，/dm2。2实验局部2.1实验原理铝的阳极氧化铝制品作阳极，以硫酸等酸为电解液进行阳极氧化，形成较厚的Al 203氧化膜：阴极：2H+ + 2e_-阳极：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点会发生局部溶解AI2O + 6H+ =2Al3+ 3HO，出现的孔隙使得铝与电解液接触，又重新氧化生成氧化膜。随着氧化 时间的延长，膜不断溶解与修补，氧化反响不断纵深开展，从而使制品外表生成 薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。要使AbQ氧化膜顺利形成，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，因此在铝的阳极氧化过 程中，要控制好氧化条件。铝氧化膜的着色由于氧化膜外表是由多孔层构成且比外表积大， 具有很高的化学活性，因而 可以对氧化膜进行

4、外表着色。阳极氧化膜着色方法大体有三种类型：浸渍着色、电解着色和整体着色。本 实验主要是浸渍着色翠绿着色。氧化膜对翠绿色有机着色液的物理吸附和化学吸附，其化学吸附是指氧化铝 与有机着色液官能团发生络合反响。氧化膜的封闭处理氧化膜的外表多孔，在这些孔隙中可以吸附染料也可以吸附结晶水。可以用 沸水法将着色好的铝片进行封闭处理，其原理是利用无水Al 2Q发生水化作用：AI2Q + HO=A2Q H2OAI2Q + 3HO=AbQ 3H2O由于氧化膜外表和孔壁的AI2Q水化结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。 2.2实验方案设计探讨因素预处理、电解液的种类、电解液的浓度、氧化温度、氧化电压、超声波等在

5、 多孔氧化铝膜的制备过程中，都会对其成膜成孔产生影响。本次实验主要探讨以 下的影响因素：(1)电解液的浓度对于酸性电解液来说，随着电解液的浓度的不断增大，氧化膜的极限厚度先 增大而后减小。这种变化归根到底是 H+的浓度的变化造成的。电解液中H+的浓度对氧化铝膜厚度有两方面的影响：一方面，H+的浓度增大， 电解液的电导率增大，在相同电压下，电流密度升高，促进了氧化铝膜厚度的增 加；另一方面，H的浓度的增大也加速了氧化膜的溶解。随着 H的浓度升高，首 先前者占主导，膜厚度增大；当其浓度升高到一定值时，后者开始占主导，此时 膜厚度开始减小。电解液的浓度很低时，氧化铝膜不能形成；而其浓度过高时，酸液的

6、腐蚀性 也会将氧化层腐蚀掉。因此，在制备过程中，电解液的浓度应控制在一定的范围 内。阳极电流浓度氧化电压电流密度对多孔氧化铝膜的孔径及生长分布都有一定的影响。 电压低时，阳极氧化反响比拟缓慢，氧化膜在电解液中的溶解速率大于生长速率， 由体积膨胀产生的应力较小，缺乏以使纳米孔有序分布，形成的纳米孔直径也较 小。随着氧化电压的升高，阳极氧化电流密度增大，氧化铝膜的生成速率加快， 多孔氧化铝膜的厚度增加；同时应力增大，孔径也随之增大，孔密度降低，纳米 孔的排列也更加整齐。在孔洞生长过程中，由于自催化作用，孔洞之间相互竞争 开展，局部小孔开展较快，成为大孔洞；而与之相邻的小孔生长速率变慢，逐渐 停止开

7、展。氧化电压也不宜过高，这是因为电压过高，反响放出的热量较多，氧 化反响过于剧烈，不利于纳米孔道的形成。(3) 氧化时间随着氧化时间的延长，膜的不断溶解或修补，氧化反响得以向纵深开展，从而使制品外表生成又薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。其内层阻挡层、介电层、活性层厚度至氧化结束根本都不变，位置却不断向深处推 移；在一定的氧化时间内随时间而增厚。(4) 添加剂与杂质的影响电解电压、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。添加剂可控制膜的弹性、均匀性、氧化速度、温度上限等。对提高阳极氧 化工作温度的研究已有不少报道，如在硫酸电解液中添加镍盐、添加硅烷、添加 二

8、按酸、添加酒石酸等，都可扩大铝及其合金的阳极氧化温度范围， 特别是提高 温度丰限。根据实验室具体情况，选取不同的影响因素分组进行探讨， 其它因素取文献 中最正确工艺。 电解液的浓度； 阳极电流密度； 氧化时间； 添加剂与杂质的影响。由于实验时间和器材的限制，我们这一小组负责 氧化时间对阳极氧化膜的影 响。固定电解液的硫酸浓度为 20%电流密度为15mA/crK室温条件、无添加剂 的情况下，探讨不同氧化时间对阳极氧化膜的影响： 10min、20min、30min三个 不同的氧化时间。表征手段 翠绿着色：对三个氧化时间下进行阳极氧化过的铝片分别进行翠绿着色10mi n，并作圭寸闭处理； 耐腐蚀实验

9、：分别在三个氧化时间下进行阳极氧化过的铝片的外表滴一滴 重铬酸钾的盐酸溶液，观察气泡产生与液滴变绿的时间。 氧化膜厚度测定：对三个氧化时间下进行阳极氧化过的铝片分别作氧化膜 厚度测定，测定公式为：m-mdx 104p A式中，s为膜的厚度，卩m m为成膜后铝片的质量，g; m为退膜后铝片的 质量，g；p为氧化膜的密度，/cm3； A为膜外表积，ent测定方法：将铝片置于分析天平上称重；将铝片浸于K的溶膜液磷酸和CrQ组成中煮10mi n；取出铝片用水冲洗，浸入无水乙醇中，再取出晾干； 再用天平称出铝片的质量 m ;计算膜厚S值所需仪器药品1电极与试剂 电极：铝片1emx3cm, 9片，铅网；

10、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僦酸溶液； 着色试剂：翠绿着色液； 溶膜液；2仪器电解槽；WLS急流电源；分析天平；镊子；电炉；电吹风等。2.3实验步骤铝片的预处理1铝片的裁剪：剪下3组3片/组，未剪断共9片1emx 3cm的铝片;2铝片的清洗：用去污粉刷洗铝片，然后用自来水冲洗干净； 碱洗：3mol/L的氢氧化钠溶液浸洗15s； 酸洗：2mol/L的硝酸溶液浸洗1min； 水洗：去离子水清洗，洗后将铝片保存在去离子水中。铝片的阳极氧化1以20%勺硫酸为电解液，第1组的3片铝片为阳极只将有效面积内 的铝片浸入电解液，铅网为阴极，调节 WLS急流

11、电源上的电流为9A即电流密 度为5mA/cm，电解5min，然后调节稳流电源上的电流为，电解 5min。2其他条件不变，阳极改为第 2组的3片铝片，调节 WLS急流电源上的 电流为即电流密度为 5mA/cm，电解5min,然后调节稳流电源上的电流为， 电解15mi n。3其他条件不变，阳极改为第 3组的3片铝片，调节 WLS稳流电源上的 电流为即电流密度为 5mA/cm，电解5min,然后调节稳流电源上的电流为， 电解25min。注意：每组铝片进行阳极氧化的前五分钟， 电流密度控制在5 mA/cm2以下。 铝片的翠绿着色1分别取第1、2、3组阳极氧化完毕的铝片各一片，经自来水、去离子 水冲洗干

12、净后，放入翠绿着色液中着色 10mi n；2将着色后的铝片外表染料冲洗干净，放入沸水中进行封闭处理10mi n。铝片的质量检验比拟：耐腐性实验：分别取第1、2、3组阳极氧化完毕的铝片各一片，放入沸水中 进行封闭处理10mi n。然后在铝的外表滴一滴重铬酸钾的盐酸溶液，观察气泡产 生与液滴变绿的时间。铝片的膜厚测定：1分别取第1、2、3组阳极氧化完毕的铝片各一片，洗净后吹干，用分 析天平称重并记录 m ；2溶膜处理：将铝片分别浸于溶膜液磷酸和crO3组成中煮10 min ；3取出铝片用水冲洗、吹干后用天平称出退膜后铝片的质量ms；4分别计算第1、2、3组铝片的膜厚S值。3结果与讨论3.1实验结果

13、包括数据处理，现象描述铝片的预处理1铝片的裁剪：剪下3组3 片/组共9片1cmX 3cm的铝片:JCL1I2铝片经过预处理之后，带着一点银白色，金属光泽比拟黯淡。将铝片 投入氢氧化钠的溶液中，可看到出现大量气泡，产生大量气体。投入硝酸之后， 没有很明显的现象出现。铝片经清洗后外表变得洁净且呈银白色金属光泽，在阳 光下可以看到闪闪发亮。铝片的阳极氧化观察到三组氧化后的铝片在色泽上无明显区别，阳极氧化后的铝片外表的金 属光泽消失，呈浅白色；三组条件下所得的铝氧化膜外表均匀细致。铝片的翠绿着色着色后观察到铝片外表变为均匀的翠绿色，并且第1、2、3组的铝片颜色依次变深；但在进行封闭处理后，第1组铝片颜

14、色变淡很多，几乎没有染色，2、3组 铝片颜色无明显变化，稍微变淡。原因是第1组的铝片在氧化后掉在地上，被污染了。因此第1组的铝片没有 染上翠绿色，可以看到铝片上沾满了灰尘，污染很严重。但根据 2、3组铝片的 染色情况，可推测第1、2、3组的铝片颜色应该是依次变深的。铝片的膜厚测定(1)数据记录及处理表1氧化膜膜厚记录及计算组mi/gns/gA/cmf3 /卩m1620.40610.3946630.38130.365362计算公式m-mx 104S = p =/cm3p A有上式可计算膜厚度3。铝片的耐腐蚀实验在耐腐蚀实验中，滴加重铬酸钾溶液后，因为冒气泡和变绿的时间都挺长,因此记录的时间都是大

15、约的时间。实验现象如下:组冒气泡时间/min变绿时间/min1三60三302三120三1203三30三303.2讨论文献值参考通过查找文献，可知随着时间的增加30min,膜层增厚，铝外表形成阻挡 层，这个阶段氧化膜的形成速度远大于溶解速度， 表现为硬度增加，硬度增加是 因为在通电的初始阶段形成了致密的、连续的、无孔的氧化膜。但随着时间的延长，电解液开始对膜层溶解而形成孔隙，而时间延长电解液 温度也升高，无孔层变成了多孔层，膜层变薄，硬度下降。分析讨论对于三个组阳极氧化后的氧化膜，通过翠绿着色、膜厚测定和耐腐蚀实验三 个表征手段，可知：1根据三组不同氧化时间的铝片的着色和膜厚度的表征，可以看到氧

16、化 时间越长，着色越好，膜厚度越厚。这说明了在本次实验中氧化时间10min、20min、30min，铝片的阳极氧化膜的性能较好。23组氧化后的铝片外表都是均匀而细致，金属光泽消失，呈银白色； 但是在耐腐蚀实验中，滴加重铬酸钾溶液后，第 1、2组的铝片在较长的时间都 没有变色和冒气泡，而第3组的却在较短时间内变色和冒气泡。 这是因为在本次 实验中的失误。由于在实验过程中过于忙乱，组员不小心将封闭后的铝片投入溶 膜液中并加热了。因此第3组的铝片在耐腐蚀实验中很快就变色和冒气泡。3关于耐腐蚀性的鉴定，第1、2组的铝片在30min之内三者都很接近， 腐蚀液没有变色，铝片外表也没有气泡，所以无法做出比拟

17、。说明在这些条件下 生成的氧化膜质量都比拟高，耐腐蚀性能好。4在三个组中第3组即氧化时间为30min的氧化膜翠绿着色效果最 正确且膜的厚度最厚耐腐蚀实验有失误，这说明了氧化时间为30min的条件 是最正确的。但根据文献显示：随着时间的延长，电解液开始对膜层溶解而形成 孔隙，而时间延长电解液温度也升高，无孔层变成了多孔层，膜层变薄，硬度下 降。因此并不是氧化时间越长，氧化膜就会越厚，而是在这个实验中没有探究更 长的氧化时间，以便确定氧化膜厚随氧化时间的变化出现最大值时的最正确氧化 时间。讨论1：探讨实验结果可能的原因:13组氧化后的铝片外表都是均匀而细致，说明铝片的预处理做得好， 氧化均匀，等到

18、的氧化膜性能较好。但是在表征实验过程中手忙脚乱出现了失误， 造成了实验结果的不准确。2理论上电流密度为15 mA/cm2时阳极氧化得到的氧化膜的电流密度为 最正确的，但是在实际操作过程中并不是 15 mA/cm2, 一方面是恒流仪的电流难 以控制为指定值，另一方面是所用的铝片的面积测量不是很准确。3在整个实验过程中，每组实验都没有换新的硫酸电解液，随着实验的 进行，硫酸电解液的浓度不断下降，使结果出现偏差。3本组实验是探究氧化时间对氧化膜性能的影响， 但是由于时间的限制， 只做了三个不同的氧化时间，氧化时间个数太少，难以得到氧化时间对氧化膜影 响的结果。4在做这个实验中最大的问题就是失误了。 例如氧化后的铝片掉到地上， 被污染