Anodisk aluminiumoxid - beskytter metalkomponenter mod korrosion

Anodisering af aluminium har været brugt i over 90 år til at beskytte metalkomponenter mod korrosion. Den elektrokemiske proces ændrer aluminiums overfladekemi, så der dannes et tæt barrierelag med porøse porer, der giver maksimal korrosionsbeskyttelse.

Undersøgelser har vist, at anodiseringsspænding kan styre ionvandring i et pore-baseret oxidlag, hvilket giver mulighed for hurtige, effektive celle/pore-organiseringsprocesser.

Modstandsdygtighed over for korrosion

Anodiseret aluminium er typisk modstandsdygtigt over for korrosion, men som med alle metaller vil det til sidst korrodere, hvis det bliver ridset eller bulet, og det udsatte aluminium bliver blottet - dette fænomen er almindeligvis kendt som galvanisk korrosion eller vådinstallation. Mens galvanisk korrosion eller våd installation kan udgøre et problem for industrielle anvendelser som rumfart, skibsteknik og konstruktionsteknik, hvor overflader ofte kan blive ridset eller bulet, udgør korrosion ikke så stor en trussel, når overfladebeskyttelsesforanstaltninger som f.eks. ridsefast belægning er på plads.

Anodisk aluminiumoxids korrosionsbestandighed afhænger af både morfologien og sammensætningen af dets oxidlag, der produceres via anodisering. Anodisering skaber et oxidlag med et meget højt størrelsesforhold, der består af to forskellige lag - et porøst hydrat ovenpå og et inert barrierelag nedenunder; dets permeabilitet afhænger af temperatur, elektrolyttype og procedure, der anvendes under anodisering.

Der er foretaget undersøgelser for at forstå, hvordan morfologien i et anodisk oxidlag kan ændres for at øge dets korrosionsbestandighed. Forskellige anodiseringsprocesser blev udforsket, såsom svovlsyreanodisering (SAA) og selvordnende anodisering; SAA fungerer ved højere spændinger og temperaturer end CAA for at producere tykkere anodiske oxidlag med mere porøse porer; anodisk aluminiumoxid kan også farves af æstetiske årsager og smøres med tørfilmssmøremidler, teflon eller maling for at øge slidstyrken og vedhæftningen.

Historisk set har en af de bedste måder at forbedre anodisk aluminiums korrosionsbestandighed på været at forsegle dets porestruktur. Dette kan opnås ved at nedsænke anodiseret aluminium i en opløsning, som reagerer med den ydre overflade af dets oxidlag og væggene i dets porer for at danne boehmitkrystaller, der udfylder alle resulterende huller og fungerer som en solid barriere mellem aluminiumsubstratet og dets omgivelser.

Denne metode er blevet testet i forskellige forseglingsopløsninger og i forskellige varigheder, og resultaterne viste, at efterhånden som det anodiserede aluminium blev nedsænket længere i sin respektive opløsning, faldt dets korrosionsstrømstæthed, og koncentrationen af ioner i det reducerede optimale forseglingstider.

Elektrisk isolering

Anodisering af aluminiumskomponenter har været brugt siden 1920'erne som et effektivt middel til at beskytte dem mod korrosion. Gennem elektrokemisk oxidation gennemgår en anodiseret overflade en kemisk forandring, som resulterer i dannelsen af et ekstremt hårdt og slidstærkt oxidlag, der også fungerer som en elektrisk isolator - alt sammen uden at det er nødvendigt at tilføje yderligere lag.

Et anodisk oxidlag af aluminium kan fremstilles ved hjælp af jævnstrøm i en elektrolytisk opløsning med en aluminiumsgenstand, der fungerer som anode. Det skaber et elektrisk felt, som fremkalder iltfrigivelse på anodeoverfladen og samtidig forhindrer brintioner i at komme ind fra katoden i cellen, hvilket gør det muligt for aluminium at skabe en naturligt slidstærk aluminiumoxidbelægning, som derefter kan tilpasses til regelmæssige porøse strukturer.

Når anodiseringsspændingen øges, øges poredannelseshastigheden også. Det skyldes, at den elektriske feltstyrke øges ved højere spændinger, og derfor er ionbevægelseshastigheden hurtigere i poreunderlaget, hvilket fører til løbske tilstande, hvor poreunderlaget bliver meget større end forventet. Dette fænomen er almindeligt kendt som runaway.

De høje spændinger, der bruges under anodisering, fremskynder ikke kun oxidationshastigheden, men kan også få porevæggene til at blive hydreret, når ionerne bevæger sig inden for deres struktur. Som følge heraf indeholder disse vægge typisk noget rent aluminiumoxid (Al2O3) sammen med anioner fra elektrolytopløsningen, vand og små mængder nanokrystaller [7].

Aluminium anodiseret i visse sure medier producerer en regelmæssig selvorganiserende porestruktur, som giver en effektiv elektrisk isolering, ifølge The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Aluminiumoxid har den højeste dielektriske styrke blandt naturligt forekommende materialer.

Termisk ledningsevne

På grund af den øgede efterspørgsel efter elektroniske enheder med høj densitet har der været et presserende behov for innovative varmestyringsmaterialer. Derfor er der undersøgelser i gang for at skabe nanoaluminiumoxid med forbedrede termiske egenskaber til brug som flydende termisk grænseflademateriale, mellemrumsfyldstoffer eller belægninger - hvilket har ført til adskillige undersøgelser af dets fremstilling og anvendelse i flydende termisk grænseflademateriale, mellemrumsfyldstoffer eller belægninger.

Anodisering giver aluminiumoxid med forskellige fysiske egenskaber, herunder varmeledningsevne. Desværre kan det være en udfordring at måle dens varmeledningsevne på grund af dens åbne rumstruktur; for nøjagtigt at vurdere anodiseret aluminiumoxidmembrans varmeledningsevne er det nødvendigt at adskille langsgående fra tværgående porkanaler ved hjælp af fotoakustisk teknik eller effektiv mediumteori (EMT) modelleringsteknikker.

En anodiseringsproces begynder med at tilføre en elektrisk strøm til et Al-substrats overflade gennem en elektrolyt og frembringe et fordybet landskab, som fungerer som stedet, hvor der dannes porer under et efterfølgende anodiseringstrin. Figur 10 viser skematisk, hvordan disse porer, der produceres under dette andet anodiseringstrin, er tæt pakket med ordnede kanaler, der løber lige og parallelt langs deres overflader.

En anodiseret aluminiumsskabelons porediameter kan kontrolleres gennem kemisk ætsning ved at udvide dens porer gennem kemisk ætsning. Denne proces resulterer typisk i en gradvis opløsning af oxidlag, der omgiver porekanalen, og gør det dermed muligt at opnå en justerbar kanaldiameter på mellem 8 nm og 530 nm.

Varmeledningsevnen for anodiseret aluminiumoxid afhænger ikke kun af porediameteren og procestypen, men også af substratets morfologi - ændret af mekaniske, termiske og kemiske forbehandlinger - og Al-substratets historie, som f.eks. eksisterende oxidlag, der ændrer porestrukturernes selvorden under totrinsanodiseringsprocessen, hvilket resulterer i forskellige værdier for varmeledningsevnen, der er rapporteret i litteraturen.

Modstandsdygtighed over for fugt

Anodisering øger tykkelsen af det naturlige aluminiumoxidlag, der naturligt dannes på aluminiumsdele, så der opstår en tyk, elastisk og kemisk inaktiv belægning, der holder langt længere end originale dele, der udsættes for barske forhold. Desuden gør anodisering materialer kemisk modstandsdygtige over for stoffer som oxiderende syrer, der normalt ville misfarve og nedbryde ubehandlet aluminium; hvilket betyder, at denne behandling holder materialer i uberørt stand længere på trods af barske miljøer.

Anodiseret aluminium kan også indfarves i en række forskellige farver for at opnå en unik finish, og indfarvningsprocessen forbedrer også nogle naturlige egenskaber som f.eks. emissivitet - hvilket gør anodiseret aluminium ideelt til radiatorer og varmevekslere.

Anodisering er også en af de mere miljøvenlige metalbehandlingsprocesser, der findes, i modsætning til integreret farveanodisering, da den ikke bruger kemikalier og ikke producerer flygtige organiske forbindelser (VOC'er). I modsætning til galvaniseringsprocesser, der producerer tungmetalioner eller halogener i deres spildevandsstrøm, genanvendes deres biprodukter i stedet i produkter som alun, bagepulver, kosmetik og avispapirproduktion eller bruges som industrielle spildevandsrensningssystemer.

Forskere opdagede ved hjælp af et scanning-elektronmikroskop, at befugtningsevnen af anodiske porøse aluminiumoxidfilm (APA) kunne ændres ved at ændre deres synteseforhold. Deres team skabte en AAO-fugtighedssensor med høj signalintensitet, respons og gendannelsestid ved at anodisere en kommerciel 1050-aluminiumslegering ved 20 V i oxalsyre til anodisering i ét trin ved 20 V i stedet for den mere traditionelle anodiseringsmetode i to trin ved 40 V - en betydeligt billigere og hurtigere fremstillingsmetode til dannelse af AAO-fugtighedssensorer.

Forskningen viste også, at AAO-filmens befugtningsevne kan forbedres yderligere ved at ændre porediameteren. Man opnåede en gradient, hvor befugtningsevnen steg fra begge ender mod midten, hvor de dannede vanddråber bevægede sig langs denne gradient, før de på én gang smeltede sammen til én stor dråbe - denne metode kan vise sig at være særlig nyttig, når man fremstiller mikrofluidiske enheder eller analytiske chips.