Anodický oxid hlinitý - ochrana kovových součástí před korozí

Eloxování hliníku se používá již více než 90 let k ochraně kovových součástí před korozí. Elektrochemický proces mění povrchovou chemii hliníku a vytváří hustou bariérovou vrstvu s pórovitými póry pro maximální ochranu proti korozi.

Studie prokázaly, že eloxovací napětí může řídit migraci iontů ve vrstvě oxidu s póry, což umožňuje rychlé a účinné uspořádání buněk/pórů.

Odolnost proti korozi

Eloxovaný hliník je obvykle odolný vůči korozi, nicméně stejně jako všechny kovy nakonec zkoroduje, pokud je poškrábaný nebo promáčknutý a obnažený hliník se stane obnaženým - tento jev je běžně známý jako galvanická koroze nebo mokrá instalace. Zatímco galvanická koroze nebo mokrá instalace může představovat problém pro průmyslové aplikace, jako je letectví, námořní technika a konstrukční inženýrství, kde může docházet k častému poškrábání nebo poškrábání povrchu, koroze nepředstavuje tak velkou hrozbu, pokud jsou na povrchu použita ochranná opatření, jako je povlak odolný proti poškrábání.

Odolnost anodického oxidu hlinitého proti korozi závisí na morfologii i složení jeho oxidové vrstvy, která vzniká eloxováním. Eloxováním se vytváří oxidová vrstva s velmi vysokým poměrem stran, která se skládá ze dvou odlišných vrstev - porézního hydrátu na povrchu a inertní bariérové vrstvy pod ním; její propustnost závisí na teplotě, typu elektrolytu a postupu použitém při eloxování.

Byly provedeny studie s cílem pochopit, jak lze změnit morfologii anodické oxidové vrstvy, aby se zvýšila její korozní odolnost. Byly zkoumány různé procesy eloxování, jako je eloxování kyselinou sírovou (SAA) a eloxování samočinným uspořádáním; SAA pracuje při vyšších napětích a teplotách než CAA a vytváří silnější vrstvy anodického oxidu s poréznějšími póry; anodický oxid hlinitý lze také z estetických důvodů barvit a mazat pomocí maziv se suchým filmem, teflonu nebo barvy pro zvýšení odolnosti proti opotřebení a přilnavosti.

Historicky je jedním z nejlepších způsobů, jak zvýšit odolnost anodického hliníku proti korozi, utěsnění jeho pórové struktury. Toho lze dosáhnout ponořením eloxovaného hliníku do roztoku, který reaguje s vnějším povrchem jeho oxidové vrstvy a stěnami pórů za vzniku krystalů boehmitu, které vyplní všechny vzniklé mezery a působí jako pevná bariéra mezi hliníkovým substrátem a jeho okolím.

Tato metoda byla testována v různých těsnicích roztocích a po různě dlouhou dobu a výsledky ukázaly, že s delším ponořením eloxovaného hliníku do příslušného roztoku se snižuje hustota korozního proudu a koncentrace iontů v něm se snižuje optimální doba těsnění.

Elektrická izolace

Eloxování hliníkových součástí se používá od 20. let 20. století jako účinný prostředek k jejich ochraně proti korozi. Prostřednictvím elektrochemické oxidace dochází na eloxovaném povrchu k chemickým změnám, jejichž výsledkem je vytvoření extrémně tvrdé a otěruvzdorné oxidové vrstvy, která zároveň funguje jako elektrický izolant - to vše bez nutnosti přidávání dalších vrstev.

Anodickou vrstvu oxidu hlinitého lze vytvořit pomocí stejnosměrného proudu v elektrolytickém roztoku s hliníkovým předmětem, který slouží jako anoda. Tím se vytvoří elektrické pole, které vyvolá uvolňování kyslíku na povrchu anody a současně zabrání pronikání vodíkových iontů z katodové strany článku, což umožní vytvořit na hliníku přirozeně odolnou vrstvu oxidu hlinitého, kterou lze následně přizpůsobit do pravidelných porézních struktur.

Se zvyšujícím se eloxovacím napětím se zvyšuje i rychlost tvorby pórů. Je to proto, že intenzita elektrického pole se při vyšším napětí zvyšuje, a proto je rychlost pohybu iontů v bázi pórů rychlejší, což vede k běhání, při němž se báze pórů zvětšuje mnohem více, než se očekávalo. Tento jev se běžně označuje jako runway.

Vysoké napětí používané při eloxování nejen urychluje oxidaci, ale může také způsobit hydrataci stěn pórů, protože se v jejich struktuře pohybují ionty. V důsledku toho tyto stěny obvykle obsahují část čistého oxidu hlinitého (Al2O3) spolu s anionty z roztoku elektrolytu, vodou a malým množstvím nanokrystalitů [7].

Hliník eloxovaný v určitých kyselých prostředích vytváří pravidelnou samoorganizující se strukturu pórů, která podle 43. vydání Příručky chemie a fyziky (The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition) umožňuje účinnou elektrickou izolaci. Hliník se může pochlubit nejvyšší dielektrickou pevností mezi přirozeně se vyskytujícími materiály.

Tepelná vodivost

Vzhledem k rostoucí poptávce po elektronických zařízeních s vysokou hustotou vznikla naléhavá potřeba inovativních materiálů pro tepelný management. Proto probíhají studie zaměřené na vytvoření nanoaluminu se zlepšenými tepelnými vlastnostmi pro použití jako materiál kapalného tepelného rozhraní, výplně mezer nebo povlaků - což vedlo k mnoha studiím zaměřeným na jeho výrobu a použití v aplikacích kapalného tepelného rozhraní, výplní mezer nebo povlaků.

Anodizací se získá oxid hlinitý s různými fyzikálními vlastnostmi, včetně tepelné vodivosti. Měření jeho tepelné vodivosti může být bohužel náročné kvůli jeho otevřené prostorové struktuře; pro přesné vyhodnocení měření tepelné vodivosti eloxované membrány oxidu hlinitého je nutné oddělit podélné a příčné pórové kanály pomocí fotoakustické techniky nebo metod modelování teorie efektivního média (EMT).

Proces eloxování začíná přivedením elektrického proudu na povrch Al substrátu prostřednictvím elektrolytu a vytvořením členité krajiny, která slouží jako místo pro vznik pórů během následného kroku eloxování. Obrázek 10 schematicky znázorňuje, jak jsou tyto póry vytvořené během tohoto druhého kroku anodizace hustě zaplněné uspořádanými kanálky probíhajícími rovně a rovnoběžně podél jejich povrchu.

Průměr pórů eloxované šablony z oxidu hlinitého lze řídit chemickým leptáním tak, že se póry rozšíří chemickým leptáním. Tento proces obvykle vede k postupnému rozpouštění oxidových vrstev obklopujících jeho pórový kanál, a umožňuje tak dosáhnout nastavitelného průměru kanálu v rozmezí 8 nm až 530 nm.

Tepelná vodivost eloxovaného oxidu hlinitého závisí nejen na průměru pórů a typu procesu, ale také na morfologii substrátu - změněné mechanickými, tepelnými a chemickými předúpravami - a na historii Al substrátu, např. na existujících vrstvách oxidů, které mění uspořádání struktur pórů během dvoustupňového procesu eloxování, což vede k různým hodnotám tepelné vodivosti uváděným v literatuře.

Odolnost proti vlhkosti

Eloxování zvyšuje tloušťku přirozené vrstvy oxidu hlinitého, která se přirozeně tvoří na hliníkových dílech, a vytváří tak silný, pružný a chemicky inertní povlak, který vydrží mnohem déle než původní díly vystavené drsným podmínkám. Kromě toho eloxování činí materiály chemicky odolnými vůči látkám, jako jsou oxidační kyseliny, které by normálně odbarvily a znehodnotily neošetřený hliník; to znamená, že tato úprava udržuje materiály déle v neporušeném stavu navzdory drsným podmínkám.

Eloxovaný hliník lze také barvit v různých barvách, čímž lze získat jedinečné povrchové úpravy, přičemž proces barvení zlepšuje i některé jeho přirozené vlastnosti, jako je například emisivita, a proto je eloxovaný hliník ideální pro radiátory a výměníky tepla.

Eloxování je také jedním z ekologicky šetrnějších procesů povrchové úpravy kovů, protože na rozdíl od integrálního barevného eloxování nepoužívá chemické látky a neprodukuje těkavé organické sloučeniny (VOC). Navíc na rozdíl od galvanických procesů, které produkují ionty těžkých kovů nebo halogeny v odpadním proudu; místo toho se jejich vedlejší produkty recyklují do výrobků, jako je hliník, prášek do pečiva, výroba kosmetiky a novinového papíru, nebo se používají jako průmyslové systémy čištění odpadních vod.

Vědci pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu zjistili, že smáčivost anodických porézních vrstev oxidu hlinitého (APA) lze měnit změnou podmínek jejich syntézy. Jejich tým vytvořil senzor vlhkosti AAO s vysokou intenzitou signálu, odezvou a dobou zotavení eloxováním komerční hliníkové slitiny 1050 při 20 V v kyselině šťavelové pro jednostupňovou eloxaci při 20 V namísto tradičnějšího způsobu výroby dvoustupňovou eloxací při 40 V - výrazně levnější a rychlejší výrobní metoda pro tvorbu senzoru vlhkosti AAO.

Výzkum také prokázal, že smáčivost AAO filmů lze dále zvýšit změnou průměru pórů. Bylo dosaženo gradientu, kdy se smáčivost zvyšuje od obou konců směrem ke středu, kde se vytvořené kapičky vody pohybují podél tohoto gradientu, než se najednou spojí v jednu velkou kapičku - tato metoda může být užitečná zejména při výrobě mikrofluidních zařízení nebo analytických čipů.