铝的阳极氧化与表面着色华师

1、文档编码 : CM3B10G9X3L1 HO5N2J3G2Z9 ZG2H4P4T6V7. 铝的阳极氧化与表面着色同学姓名：xxx 1 班学号：xx 专业：化学师范年级班级：2022 级化教小组成员：xx 课程名称：物理化学试验试验指导老师：xxx 一,前言1,试验背景试验时间：2022 年4 月27 日金属的表面与四周的介质发生化学作用或电化学作用,因而使金属受到损坏 的现象,通常称为金属的腐蚀；金属的腐蚀每年都给我们造成庞大的缺失；防止 金属腐蚀的方法之一是在金属表面形成氧化膜疼惜层；不少金属存在着自然的氧 化膜,但它们多数起不到疼惜层的作用；铝及铝合金具有密度小,比强度高,导电和导热性好,

2、成型简洁,无低温脆 性等优点,是一种综合性能优良的轻金属材料；目前,铝材在航空航天工业及建 筑材料,交通工具,电子产品等领域中得到了广泛的应用；铝对氧的化学亲和力 特别强,在大气中其表面总是被一层透亮的氧化膜所掩盖,但是自然的铝氧化膜 极薄,只有4x10-3-5x10-3m,且孔隙率大,机械强度低,抗蚀和耐磨性都不能 中意防腐蚀的需要；利用电化学方法,可使铝（或铝的合金）表面生成致密的优质氧化膜,且膜 较厚,其厚度可达几十至几百微米,能有效地提高铝的耐腐蚀性；这种使铝表面 氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化；另外,由于所形成的氧化膜存在匀称的孔 隙,仍可以用有机染料进行染色,经封密后色泽稳固,使

3、铝材的应用更加广泛；2,试验要求1）学习铝（或铝合金）的阳极氧化工艺,明白对金属表面处理的一般方法；2）通过对阳极氧化原理的学习,自己设计试验方案,明白和探讨铝在阳极氧化 过程中,影响氧化膜厚度和性能的各种因素；3）对氧化膜的质量评判,包括绝缘性,耐腐蚀性,氧化膜厚度等；;. 第 1 页,共 8 页. 2. 试验部分试验原理 铝阳极氧化原理（1）将铝制品作阳极,以硫酸,铬酸,磷酸,草酸等为电解液进行阳极氧化,可形成较厚的氧化膜,膜的主要成分是Al2O3,其反应历程比较复杂；现在以Al 为 阳极,Pb 为阴极,H2 SO4 溶液为电解质介绍其反应原理；电解时的电极反应为：阴极：2 H 2 e H

4、2氧化膜形成阳极：Al 3e 3 Al 3 Al 3H 2O AlOH 33H AlOH 3Al 2 O3 3H 2O 阳极上的Al 被氧化,且在表面上形成一层氧化铝薄膜的同时,由于阳极反应生成 的H+ 和电解质H2SO4 中的H+ 都能使所形成的氧化膜发生溶解：Al 2 O 36H Al 33H 2 O 在硫酸电解液中阳极氧化,作为阳极的铝制品,在阳极化初始的短临时间内,其表面受到匀称氧化,生成极薄而又特别致密的膜,由于硫酸溶液的作用,膜的 最弱点（如晶界,杂质密集点,晶格缺陷或结构变形处）发生局部溶解,而显现 大量孔隙,即原生氧化中心,使基体金属能与进入孔隙的电解液接触,电流也因 此得以连

5、续传导,新生成的氧离子就用来氧化新的金属,并以孔底为中心而开放,最终汇合,在旧膜与金属之间形成一层新膜,使得局部溶解的旧膜犹如得到“修 补”似的；随着氧化时间的延长,膜的不断溶解或修补,氧化反应得以向纵深发 展,从而使制品表面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）厚度至氧化终止基本都不变,位置却不断向 深处推移；在确定的氧化时间内随时间而增厚；阳极氧化膜的生长是在膜的生成 和溶解这一冲突过程中发生和进展的；要使Al2O3氧化膜顺当形成,并达到确定厚度,必需使电极上氧化膜形成的速 率大于氧化膜溶解的速率,这要通过把握确定的氧化条件来实现；假如是在强酸

6、 的电解液中,阳极上的金属离子不断地从金属本体溶解,根本不能形成氧化膜；;. 第 2 页,共 8 页. 如在弱酸中,阳极产物在电解液中不溶解,就氧化膜很快形成并掩盖金属,电阻 增大,使电化学反应不能正常进行；因此,要严格把握硫酸的浓度；铝的阳极氧化和着色工艺要求形成的膜既有确定厚度,又要在膜上有匀称的孔隙,以保证电流的通过及将来着色；这是一个既有膜的生长又相伴有膜的溶解 的电极过程；由于膜的不断生长与加厚,致使电阻不断增加,从而使膜的生长速率渐缓,此时膜的形成速率与膜的溶解速率达到动态平稳,膜的厚度就不会变化 了；实践说明, 影响氧化膜厚度和性能的主要因素包括：a）电解液的浓度 硫酸的浓度高,

7、膜的溶解速率快,膜层薄,防护性能下降,但膜的孔隙率高,便于着色；硫酸的浓度低时就和上述相反；可以通过试验来探讨确定相宜的电解质浓度,兼顾防护和着色；实际生产中一般硫酸浓度为：b）阳极电流密度200-250 g/L ；较高的电流密度虽有利于膜厚度的增加,但简洁造成铝片表面过热而使氧化 膜疏松；可以通过试验来挑选相宜的电流密度；实际生产中 150-200 A/m ；2c）电解槽温度 槽温过高,会加速氧化氧化膜的溶解；温度过低,膜层发脆,氧化耗时；应 结合电流密度来挑选相宜的槽温；d）氧化时间 由于阳极上同时存在膜的形成和溶解两个过程,所以膜不会无限地增厚,铝的阳极氧化膜一般不会超过35 微米；膜的

8、厚度与氧化时间的体会关系式要视详细的工艺条件来确定,如当硫酸的浓度为2 200 g/L ,电流密度为1 A/cm ,槽温在15-20 时,膜厚与氧化时间的体会关系为：膜厚/ m0.28 时间min；要注意,当工艺条件转变时,此关系式也会有所变化；e）添加剂与杂质的影响 目前已知甘油,硫酸铵等可把握膜的弹性；铬酸盐,胶体等可提高膜的匀称3+ 性；适量Al 3+ -对膜形成有利,过量Al 会使膜变薄；杂质Cl 会使膜产生腐蚀砂眼等等；搅拌,电流波形等外界条件也会对氧化膜的性质,外观等产生影响；铝氧化膜的封闭处理氧化膜的表面是多孔的（约为每平方厘米亿个）,在这些孔隙中可吸;. 第 3 页,共 8 页

9、. 附染料,也可吸附结晶水；由于吸附性强,如不准时处理,也可能吸附杂质而被 污染,所以要准时进行填充处理,从而提高多孔膜的强度等性能；封闭处理的方法许多,如沸水法,高压蒸气法,浸渍金属盐法和填充有机物法（油,合成树脂）等；众多方法中就用最广的是沸水法；沸水法是将铝片放入沸水中煮,其原理是利用无水三氧化二铝发生水化作用；Al2O3+ H2O Al 2O3 H2O Al2O3+ 3H2O Al 2O33H2O 由于氧化膜表面和孔壁的Al2O3水化的结果,使氧化物体积增大,将孔隙封闭；沸水封闭时,水的pH 值应把握在4.5 6.5 之间,pH 值太高会造成“碱蚀”；3）铝氧化膜的着色处理 氧化膜的着

10、色应在氧化终止后立刻进行；将阳极氧化处理得到的新奇氧化膜铝片直接用水冲洗洁净,立刻放入着色液中着色；着色时留意染料的纯度,水温约在4060 ,不能太高；适当加热可加速染色,但水温太高会造成氧化膜的孔隙过早封闭,降低吸附染料的性能,pH 值在之间为宜,着色时间视需颜色的深浅而定；另外,也可以尝试进行电解着色；将未着色的铝片作阴极进行电解着色,如如要着红褐色,电解液用五水硫酸铜（25 g/L ）,硫酸（30 g/L ）；此外,硫酸镍等也可以作为电解着色的电解质,电解着色后再进行水封闭处理；由于多孔膜的特别性质,除了可以应用于着色外,近年来有人利用它作为模 板,在孔中填充金属或半导体材料,用来制备磁

11、记录材料,功能电极,电学或光 学器件等；4）铝氧化膜的质量检验 对不同条件下形成的氧化膜的性能及孔隙等的质量评判,可以通过透射电镜（）的平面形貌分析,扫描电镜（）的横断形貌分析,俄歇电子光 谱（）的浓度分析等测试手段进行,但这都需要用到特别的仪器；就本实 验来说,可以从氧化膜的绝缘性,耐腐蚀性,膜厚度三个方面粗略地检验；试验方案设计依据实际情形,每组同学挑选阳极氧化中的1-2 个影响因素加以探讨；在设计试验时要留意,当争论某个影响因素时,其它工艺条件必需是固定的,尽量用最 ;. 第 4 页,共 8 页. 佳条件来固定；例如,争论电解电流对氧化膜形成过程的影响时,必需在固定电解质的浓度,温度准时

12、间的条件下来转变电解电流；3,仪器试剂（1）电极与试剂电极：铝片,铅片铝表面预处理试剂：去污粉,氢氧化钠溶液（3mol/L ）,硝酸溶液（2mol/L ）；电解液：25%的硫酸（质量分数）,98%的浓硫酸 着色试剂：染料酸性元青,酸性大红,直接耐晒翠绿,活性艳橙；电解着色可用五水硫酸铜,硫酸镍；其它：氨水,三氧化铬,重铬酸钾,溶膜液,盐酸,火棉胶,无水酒精等；（2）仪器电解槽；温度计；WLS 稳流电源；分析天平；恒温 槽；刀,镊子,万用电表,电炉,电吹风等试验步骤（1）铝片的表面预处理表面预处理的目的是清洁铝的表面；步骤：用去污粉刷洗铝片,然后用自来水冲洗洁净；其它：烧杯,称量纸,剪将铝片放在

13、3mol/L 的氢氧化钠溶液中,浸 30s,取出后用自来水冲洗,如油污 已除净,铝片的表面不会挂水珠. 再将铝片放在2mol/L 的硝酸溶液中浸60s,取出后用自来水冲洗洁净,以除去 碱处理时铝表面沉积的杂质及中各所吸附的碱；再用蒸馏水冲洗洁净；洗净的铝片存放于盛水的烧杯中待用；（2）铝的阳极氧化 铝的阳极氧化有两种方法,其一是用直流电流,铝始终是作阳极；其二是用 交直流电叠加,铝间歇地做阳极,阴极；后者操作工艺条件不好把握,本试验采 用前者进行；用直流稳压电源,铝片做阳极,铅或铂做阴极；先将电源调剂电流强度的旋钮回零,将电源的正负极分别与第一组的 3 片铝片 和铅网连接,加入10%的硫酸溶液

14、作为电解液,调剂电流密度小于 5 mA/cm 2（即;. 第 5 页,共 8 页. 小于A）,电解5min；再调剂电流密度至 0405mA）,电解15min；15 mA/cm 2（即电流强度为其他条件不变,阳极改为第 2 组的3 片铝片,将电解液换为20%的硫酸溶液,重复上述步骤,电解15min；其他条件不变,阳极改为第3 组的3 片铝片,将电解液换为33%的硫酸溶液,重复上述步骤,电解15min；参考工艺条件：a）电解液的硫酸浓度为 15%左右；2 b）电流密度为 10-15 mA/cm ；c）通电时间为 20 min 左右；d）温度为1520或自设定；e）添加剂甘油,草酸等的浓度的影响 ）

15、对已氧化好的铝片进行后处理a）氧化膜的封闭处理用去离子水煮沸10 min,水的pH 值应把握在之间；煮沸后取出,放入无水酒精中数秒后再晾干；b）氧化膜着色 将阳极氧化处理得到的新奇氧化膜铝片直接用水冲洗洁净,立刻放入着色液中着色；着色时留意染料的纯度,pH 值在7.0 之间为宜,水温约在4060,着色时间视需颜色的深浅而定；染色后的铝片经水冲洗洁净后,再进行水封闭处理（4）对已处理的,形成氧化膜的铝片进行质量检验比较a 绝缘性试验 用万用电表测定铝片表面两点间电阻的差别来比较b 耐腐蚀试验 在铝片表面滴一滴重铬酸钾的盐酸溶液,观看气泡产生与液滴变绿的时间；c氧化膜厚度测定测定公式为：4 mim

16、s 10 / A 式中, 为膜的厚度（ m）；;. 第 6 页,共 8 页. mi为成膜后铝片的质量（g）；ms 为退膜后铝片的质量（g）； 为氧化膜的密度,22；A 为膜表面积,cm 测定方法：a.分别取第1,2,3 组阳极氧化完毕的铝片各一片,用去离子水洗净后吹干,用分析天平称重并记录mi；b.将铝片分别浸于溶膜液（磷酸和 H2O 20cm ）中煮10 min；33 CrO3 组成：CrO3固 15g；H3PO4液 30cm ；c 取出铝片用去离子水冲洗,吹干；d 再用天平称出铝片的质量ms ; e 运算膜厚 值；3. 结果与争论试验结果 铝片的预处理铝片的裁剪：剪下3 组（3 片/组）共9 片1cm3cm 的铝片如下图所示：3cm 1cm 铝片的清洗：观看到经清洗后的铝片表面变洁净呈银白色金属光泽；铝片的阳极氧化 观看到阳极氧化后的铝片表面金属光泽消逝,呈浅白色；三组氧化后的铝片在色泽上无明显区分,3 组条件下所得的铝氧化膜表面匀称细致；绝缘性试验与耐腐蚀试验 3 组铝片的电阻都是无穷大,在耐腐蚀试验中,滴加重铬酸钾溶液后,在整个 试验过程中都没有变色和冒气泡；铝片的翠绿着色;. 着色后观看到铝片表面变为匀称的翠绿色,第 2,1,3 组的铝片颜色依次变. 深；进行封闭处理后,1,2,3 组铝片颜色无明显变化；铝片的膜厚测定1数据记录及处理