Anodische Tonerde - Schutz von Metallkomponenten vor Korrosion

Das Eloxieren von Aluminium wird seit über 90 Jahren zum Schutz von Metallteilen vor Korrosion eingesetzt. Der elektrochemische Prozess verändert die Oberflächenchemie des Aluminiums und bildet eine dichte Sperrschicht mit porösen Poren für maximalen Korrosionsschutz.

Studien haben gezeigt, dass die Anodisierungsspannung die Ionenwanderung innerhalb einer Oxidschicht auf Porenbasis steuern kann, was schnelle, effiziente Zell-/Porenordnungsprozesse ermöglicht.

Korrosionsbeständigkeit

Eloxiertes Aluminium ist in der Regel korrosionsbeständig; wie alle Metalle korrodiert es jedoch mit der Zeit, wenn es zerkratzt oder verbeult wird und das freiliegende Aluminium freigelegt wird - dieses Phänomen ist gemeinhin als galvanische Korrosion oder Nassinstallation bekannt. Während galvanische Korrosion oder Nassinstallation bei industriellen Anwendungen wie in der Luft- und Raumfahrt, in der Schiffstechnik und im Hochbau, wo Oberflächen häufig zerkratzt oder verbeult werden, Probleme bereiten kann, stellt die Korrosion keine so große Bedrohung dar, wenn Oberflächenschutzmaßnahmen wie eine kratzfeste Beschichtung vorhanden sind.

Die Korrosionsbeständigkeit von anodischem Aluminiumoxid hängt sowohl von der Morphologie als auch von der Zusammensetzung der Oxidschicht ab, die durch Anodisierung erzeugt wird. Bei der Anodisierung entsteht eine Oxidschicht mit einem sehr hohen Aspektverhältnis, die aus zwei verschiedenen Schichten besteht - einem porösen Hydrat auf der Oberseite und einer inerten Sperrschicht auf der Unterseite. Die Durchlässigkeit hängt von der Temperatur, der Art des Elektrolyts und dem bei der Anodisierung angewandten Verfahren ab.

Es wurden Studien durchgeführt, um zu verstehen, wie die Morphologie einer anodischen Oxidschicht verändert werden kann, um ihre Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen. Es wurden verschiedene Anodisierungsverfahren erforscht, z. B. das Schwefelsäureanodisieren (SAA) und das selbstordnende Anodisieren; SAA arbeitet mit höheren Spannungen und Temperaturen als CAA, um dickere Eloxalschichten mit poröseren Poren zu erzeugen; anodisches Aluminiumoxid kann auch aus ästhetischen Gründen eingefärbt und mit Trockenschmiermitteln, Teflon oder Farbe geschmiert werden, um die Verschleißfestigkeit und Haftung zu erhöhen.

In der Vergangenheit war eine der besten Methoden zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit von anodisiertem Aluminium die Versiegelung seiner Porenstruktur. Dies kann durch Eintauchen von anodisiertem Aluminium in eine Lösung erreicht werden, die mit der äußeren Oberfläche der Oxidschicht und den Wänden der Poren reagiert und Böhmitkristalle bildet, die die entstehenden Lücken füllen und als feste Barriere zwischen dem Aluminiumsubstrat und seiner Umgebung wirken.

Diese Methode wurde in verschiedenen Versiegelungslösungen und für verschiedene Zeiträume getestet, und die Ergebnisse zeigten, dass die Korrosionsstromdichte abnahm, je länger das eloxierte Aluminium in die jeweilige Lösung eingetaucht wurde, und dass die Ionenkonzentration in der Lösung die optimale Versiegelungszeit reduzierte.

Elektrische Isolierung

Das Eloxieren von Aluminiumbauteilen wird seit den 1920er Jahren als wirksames Mittel zum Schutz vor Korrosion eingesetzt. Durch elektrochemische Oxidation erfährt eine eloxierte Oberfläche eine chemische Veränderung, die zur Bildung einer extrem harten und verschleißfesten Oxidschicht führt, die auch als elektrischer Isolator wirkt - und das alles, ohne dass zusätzliche Schichten aufgetragen werden müssen.

Eine anodische Aluminiumoxidschicht kann durch Gleichstrom in einer elektrolytischen Lösung erzeugt werden, wobei ein Aluminiumobjekt als Anode dient. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt, das die Freisetzung von Sauerstoff an der Anodenoberfläche bewirkt und gleichzeitig das Eindringen von Wasserstoffionen von der Kathodenseite der Zelle verhindert, so dass Aluminium eine natürlich widerstandsfähige Aluminiumoxidschicht bilden kann, die dann zu regelmäßigen porösen Strukturen angepasst werden kann.

Mit zunehmender Eloxierspannung steigt auch die Porenbildungsrate. Dies liegt daran, dass die Stärke des elektrischen Feldes bei höheren Spannungen zunimmt und somit die Ionenbewegung im Porengrund schneller abläuft, was dazu führt, dass der Porengrund viel größer wird als erwartet. Dieses Phänomen ist allgemein als "Runaway" bekannt.

Die beim Eloxieren verwendeten Hochspannungen beschleunigen nicht nur die Oxidationsgeschwindigkeit, sondern können auch dazu führen, dass die Porenwände hydratisiert werden, da sich Ionen innerhalb ihrer Struktur bewegen. Infolgedessen enthalten diese Wände typischerweise etwas reines Aluminiumoxid (Al2O3) zusammen mit Anionen aus der Elektrolytlösung, Wasser und kleinen Mengen von Nanokristalliten [7].

In bestimmten sauren Medien anodisiertes Aluminium erzeugt eine regelmäßige, sich selbst organisierende Porenstruktur, die laut The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition eine effektive elektrische Isolierung ermöglicht. Tonerde hat die höchste Durchschlagfestigkeit unter den natürlich vorkommenden Materialien.

Wärmeleitfähigkeit

Aufgrund der steigenden Nachfrage nach elektronischen Geräten mit hoher Dichte besteht ein dringender Bedarf an innovativen Wärmemanagementmaterialien. Daher werden derzeit Studien zur Herstellung von Nano-Aluminiumoxid mit verbesserten thermischen Eigenschaften für die Verwendung als Material für flüssige thermische Schnittstellen, als Spaltfüller oder Beschichtungen durchgeführt - was zu zahlreichen Studien über seine Herstellung und Anwendung als Material für flüssige thermische Schnittstellen, Spaltfüller oder Beschichtungen geführt hat.

Durch Anodisierung erhält Aluminiumoxid verschiedene physikalische Eigenschaften, darunter die Wärmeleitfähigkeit. Leider kann die Messung der Wärmeleitfähigkeit aufgrund der offenen Space-Frame-Struktur schwierig sein. Um die Wärmeleitfähigkeit von anodisierten Aluminiumoxidmembranen genau zu messen, müssen Längs- und Querkanäle der Poren mit photoakustischen Techniken oder mit der Theorie des effektiven Mediums (EMT) modelliert werden.

Ein Anodisierungsprozess beginnt damit, dass ein elektrischer Strom durch einen Elektrolyten auf die Oberfläche eines Al-Substrats geleitet wird und eine eingedrückte Landschaft entsteht, die als Ort für die Bildung von Poren in einem nachfolgenden Anodisierungsschritt dient. In Abbildung 10 ist schematisch dargestellt, wie diese Poren, die während dieses zweiten Anodisierungsschritts entstehen, dicht gepackt sind und geordnete Kanäle aufweisen, die gerade und parallel entlang ihrer Oberflächen verlaufen.

Der Porendurchmesser einer anodisierten Aluminiumoxid-Schablone kann durch chemisches Ätzen gesteuert werden, indem die Poren durch chemisches Ätzen erweitert werden. Dieser Prozess führt in der Regel zu einer allmählichen Auflösung der Oxidschichten, die den Porenkanal umgeben, und ermöglicht so einen einstellbaren Kanaldurchmesser zwischen 8 nm und 530 nm.

Die Wärmeleitfähigkeit von anodisiertem Aluminiumoxid hängt nicht nur von seinem Porendurchmesser und der Art des Verfahrens ab, sondern auch von der Morphologie des Substrats - die durch mechanische, thermische und chemische Vorbehandlungen verändert wird - und der Vorgeschichte des Aluminiumsubstrats, z. B. von bereits vorhandenen Oxidschichten, die die Selbstanordnung der Porenstrukturen während des zweistufigen Anodisierungsprozesses verändern, was zu verschiedenen in der Literatur angegebenen Werten für die Wärmeleitfähigkeit führt.

Feuchtigkeitsresistenz

Das Eloxieren erhöht die Dicke der natürlichen Aluminiumoxidschicht, die sich von Natur aus auf Aluminiumteilen bildet, und erzeugt so eine dicke, widerstandsfähige und chemisch inerte Beschichtung, die viel länger hält als Originalteile, die rauen Bedingungen ausgesetzt sind. Darüber hinaus macht die Eloxierung die Materialien chemisch resistent gegen Substanzen wie oxidierende Säuren, die unbehandeltes Aluminium normalerweise verfärben und zersetzen würden; das bedeutet, dass diese Behandlung die Materialien auch in rauen Umgebungen länger in einwandfreiem Zustand hält.

Eloxiertes Aluminium kann auch in einer Vielzahl von Farben eingefärbt werden, um einzigartige Oberflächen zu erzeugen, wobei der Färbeprozess auch einige natürliche Eigenschaften wie das Emissionsvermögen verbessert - was eloxiertes Aluminium ideal für Heizkörper und Wärmetauscher macht.

Im Gegensatz zum integralen Farbanodisieren ist das Eloxieren auch eines der umweltfreundlichsten Metallveredelungsverfahren, da es keine Chemikalien verwendet und keine flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) erzeugt. Im Gegensatz zu galvanischen Verfahren, bei denen Schwermetallionen oder Halogene in den Abwasserstrom gelangen, werden die Nebenprodukte in Produkten wie Alaun, Backpulver, Kosmetika und Zeitungspapier recycelt oder als industrielle Abwasserbehandlungssysteme verwendet.

Forscher entdeckten mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops, dass die Benetzbarkeit von anodischen porösen Aluminiumoxidschichten (APA) durch Änderung der Synthesebedingungen verändert werden kann. Ihr Team stellte einen AAO-Feuchtigkeitssensor mit hoher Signalintensität, Ansprech- und Erholungszeit her, indem es eine handelsübliche 1050er Aluminiumlegierung in einem Schritt bei 20 V in Oxalsäure anodisierte, anstatt die traditionellere zweistufige Anodisierungsmethode bei 40 V anzuwenden - eine wesentlich billigere und schnellere Methode zur Herstellung von AAO-Feuchtigkeitssensoren.

Die Forschung hat auch gezeigt, dass die Benetzbarkeit von AAO-Filmen durch Veränderung des Porendurchmessers weiter verbessert werden kann. Es wurde ein Gradient erreicht, bei dem die Benetzbarkeit von beiden Enden zur Mitte hin zunahm. Die gebildeten Wassertröpfchen bewegten sich entlang dieses Gradienten, bevor sie auf einmal zu einem großen Tröpfchen verschmolzen - diese Methode könnte sich bei der Herstellung von mikrofluidischen Geräten oder analytischen Chips als besonders nützlich erweisen.