Аноден алуминий - защита на метални компоненти от корозия

Алуминиевото анодиране се използва повече от 90 години за защита на метални компоненти от корозия. Електрохимичният процес променя химичния състав на повърхността на алуминия, за да се образува плътен бариерен слой с порести пори за максимална защита от корозия.

Проучванията показват, че анодиращото напрежение може да контролира миграцията на йони в поресто-оксидния слой, което осигурява бързи и ефективни процеси на подреждане на клетките/порите.

Устойчивост на корозия

Анодизираният алуминий обикновено е устойчив на корозия; въпреки това, както при всички метали, той в крайна сметка ще корозира, ако бъде надраскан или изцапан и откритият алуминий се оголи - това явление е известно като галванична корозия или мокра инсталация. Макар че галваничната корозия или мокрото инсталиране може да създаде проблеми за промишлени приложения като космическите изследвания, морското инженерство и строителното инженерство, където повърхностите могат да бъдат често драскани или надрасквани, корозията не представлява толкова голяма заплаха, когато са налице мерки за защита на повърхността, като например покритие против надраскване.

Корозионната устойчивост на анодния алуминий зависи както от морфологията, така и от състава на оксидния му слой, получен чрез анодиране. Анодирането създава оксиден слой с много висок коефициент на съотношение, състоящ се от два отделни слоя - порест хидрат отгоре и инертен бариерен слой отдолу; неговата пропускливост зависи от температурата, вида на електролита и процедурата, използвана по време на анодирането.

Проведени са изследвания, за да се разбере как може да се промени морфологията на анодния оксиден слой, за да се повиши неговата корозионна устойчивост. Бяха проучени различни процеси на анодиране, като анодиране със сярна киселина (SAA) и анодиране със самоподреждане; SAA работи при по-високи напрежения и температури от CAA, за да се получат по-дебели слоеве аноден оксид с повече порести пори; анодният алуминий може също да бъде оцветен по естетически причини и смазан с помощта на смазочни материали със сух филм, тефлон или боя за повишаване на износоустойчивостта и адхезията.

В миналото един от най-добрите начини за повишаване на устойчивостта на анодния алуминий срещу корозия е бил запечатването на порите му. Това може да се постигне чрез потапяне на анодирания алуминий в разтвор, който реагира с външната повърхност на оксидния му слой и стените на порите, за да образува кристали бохмит, които запълват всички възникнали празнини и действат като солидна бариера между алуминиевия субстрат и околната среда.

Този метод е тестван в различни разтвори за запечатване и за различни периоди от време, като резултатите показват, че при по-дълго потапяне на анодирания алуминий в съответния разтвор плътността на корозионния ток намалява, а концентрацията на йони в него намалява оптималното време за запечатване.

Електрическа изолация

Анодирането на алуминиеви компоненти се използва от 20-те години на миналия век като ефективно средство за предпазване от корозия. Чрез електрохимично окисление анодираната повърхност претърпява химични промени, които водят до създаването на изключително твърд и износоустойчив оксиден слой, който действа и като електрически изолатор - всичко това се постига без необходимост от добавяне на допълнителни слоеве.

Алуминиев аноден оксиден слой може да се получи чрез използване на постоянен ток в електролитен разтвор с алуминиев предмет, действащ като анод. По този начин се създава електрическо поле, което предизвиква отделяне на кислород на анодната повърхност, като едновременно с това се предотвратява навлизането на водородни йони от катодната страна на клетката, което позволява на алуминия да създаде естествено издръжливо покритие от алуминиев оксид, което след това може да бъде персонализирано в обикновени порести структури.

С увеличаване на напрежението на анодиране се увеличава и скоростта на образуване на пори. Това се дължи на факта, че силата на електрическото поле се увеличава при по-високи напрежения и по този начин скоростта на движение на йоните в основата на порите е по-бърза, което води до условия на бягство, при които основата на порите нараства много повече от очакваното. Това явление е известно като "бягство".

Високият волтаж, използван по време на анодирането, не само ускорява скоростта на окисление, но и може да доведе до хидратиране на стените на порите, тъй като йоните се движат в тяхната структура. В резултат на това тези стени обикновено съдържат известно количество чист алуминиев оксид (Al2O3) заедно с аниони от разтвора на електролита, вода и малки количества нанокристалити [7].

Алуминият, анодизиран в определени киселинни среди, създава правилна самоорганизираща се структура на порите, която осигурява ефективна електрическа изолация, според 43-то издание на "Наръчник по химия и физика". Алуминият се отличава с най-високата диелектрична якост сред естествено срещащите се материали.

Топлопроводимост

Поради повишеното търсене на електронни устройства с висока плътност се появи спешна необходимост от иновативни материали за управление на топлината. В тази връзка се провеждат проучвания за създаване на наноалуминий с подобрени термични свойства за използване като материал за течен термичен интерфейс, запълване на празнини или покрития - което води до множество проучвания за неговото производство и приложение в приложения за течен термичен интерфейс, запълване на празнини или покрития.

При анодирането се получава алуминиев оксид с различни физични свойства, включително топлопроводимост. За съжаление, измерването на неговата топлопроводимост може да бъде предизвикателство поради отворената му пространствена структура; за да се оцени точно измерването на топлопроводимостта на анодирана алуминиева мембрана, е необходимо да се отделят надлъжните от напречните порни канали с помощта на фотоакустична техника или техники за моделиране на теорията на ефективната среда (EMT).

Процесът на анодиране започва с прилагане на електрически ток към повърхността на Al субстрат чрез електролит и създаване на вдлъбнат ландшафт, който служи като място за образуване на пори по време на последващата стъпка на анодиране. На фигура 10 схематично е показано как тези пори, образувани по време на втория етап на анодиране, са гъсто опаковани с подредени канали, които вървят праволинейно и успоредно по повърхността им.

Диаметърът на порите на шаблона от анодиран алуминий може да се контролира чрез химическо ецване, като се разширяват порите му чрез химическо ецване. Този процес обикновено води до постепенно разтваряне на оксидните слоеве, обграждащи канала на порите, и по този начин позволява да се постигне регулируем диаметър на канала, вариращ между 8 nm и 530 nm.

Топлинната проводимост на анодирания алуминий зависи не само от диаметъра на порите и вида на процеса, но и от морфологията на субстрата - променена от механични, термични и химични предварителни обработки - и историята на Al субстрата, като например наличието на вече съществуващи оксидни слоеве, които променят самоподреждането на структурите на порите по време на двуетапния процес на анодиране, което води до различни стойности на топлинната проводимост, посочени в литературата.

Устойчивост на влага

Анодирането увеличава дебелината на естествения слой алуминиев оксид, който се образува по естествен път върху алуминиевите части, за да се получи дебело, еластично и химически инертно покритие, което издържа много по-дълго от оригиналните части, изложени на тежки условия. Освен това анодирането прави материалите химически устойчиви срещу вещества като окислителни киселини, които обикновено биха обезцветили и разградили необработения алуминий; това означава, че тази обработка запазва материалите в безупречно състояние по-дълго време въпреки суровите условия.

Анодизираният алуминий може да бъде боядисан в различни цветове за получаване на уникални покрития, а процесът на боядисване подобрява и някои естествени свойства, като например излъчвателната му способност - което прави анодизирания алуминий идеален за радиатори и топлообменници.

За разлика от интегралното цветно анодиране, анодирането е и един от най-екологичните процеси за довършителна обработка на метали, тъй като при него не се използват химикали и не се отделят летливи органични съединения (ЛОС). Освен това, за разлика от процесите на галванизиране, при които се отделят йони на тежки метали или халогени в потока на отпадните води; вместо това техните странични продукти се рециклират в продукти като алуминий, бакпулвер, козметика и производство на вестникарска хартия или се използват като системи за пречистване на промишлени отпадъчни води.

С помощта на сканиращ електронен микроскоп изследователите откриха, че омокряемостта на филми от аноден порест алуминий (APA) може да се променя чрез промяна на условията за синтез. Екипът им създава ААС сензор за влажност с висок интензитет на сигнала, реакция и време за възстановяване чрез анодиране на търговска алуминиева сплав 1050 при 20 V в оксалова киселина за едностъпкова анодизация при 20 V вместо по-традиционния метод на производство с двустъпална анодизация при 40 V - значително по-евтин и бърз метод на производство за създаване на ААС сензор за влажност.

Изследванията показват също, че омокряемостта на AAO филмите може да бъде допълнително подобрена чрез промяна на диаметъра на порите. Постигнат е градиент, при който омокряемостта се увеличава от двата края към центъра, където образуваните водни капки се движат по този градиент, преди да се слеят наведнъж в една голяма капка - този метод може да се окаже особено полезен при изработването на микрофлуидни устройства или аналитични чипове.