Ανοδική αλουμίνα - Προστασία μεταλλικών εξαρτημάτων από τη διάβρωση

Η ανοδίωση αλουμινίου χρησιμοποιείται εδώ και πάνω από 90 χρόνια για την προστασία των μεταλλικών εξαρτημάτων από τη διάβρωση. Η ηλεκτροχημική διαδικασία μεταβάλλει την επιφανειακή χημεία του αλουμινίου για να σχηματίσει ένα πυκνό στρώμα φραγμού με πορώδεις πόρους για μέγιστη προστασία από τη διάβρωση.

Μελέτες έχουν δείξει ότι η τάση ανοδίωσης μπορεί να ελέγξει τη μετανάστευση ιόντων μέσα σε ένα στρώμα οξειδίου βάσης πόρων, παρέχοντας γρήγορες και αποτελεσματικές διαδικασίες διάταξης κυττάρων/πόρων.

Αντοχή στη διάβρωση

Το ανοδιωμένο αλουμίνιο είναι συνήθως ανθεκτικό στη διάβρωση- ωστόσο, όπως συμβαίνει με όλα τα μέταλλα, τελικά θα διαβρωθεί εάν γρατζουνιστεί ή χτυπηθεί και το εκτεθειμένο αλουμίνιο εκτεθεί - αυτό το φαινόμενο είναι συνήθως γνωστό ως γαλβανική διάβρωση ή υγρή εγκατάσταση. Ενώ η γαλβανική διάβρωση ή η υγρή εγκατάσταση μπορεί να δημιουργήσει προβλήματα για βιομηχανικές εφαρμογές όπως η αεροδιαστημική, η ναυπηγική και η δομική μηχανική, όπου οι επιφάνειες μπορεί να γρατζουνίζονται ή να χτυπιούνται συχνά, η διάβρωση δεν αποτελεί τόσο μεγάλη απειλή όταν εφαρμόζονται μέτρα προστασίας της επιφάνειας, όπως η επίστρωση με προστασία από γρατζουνιές.

Η αντοχή της ανοδικής αλουμίνας στη διάβρωση εξαρτάται τόσο από τη μορφολογία όσο και από τη σύνθεση του στρώματος οξειδίου που παράγεται μέσω ανοδίωσης. Η ανοδίωση δημιουργεί ένα στρώμα οξειδίου με πολύ υψηλό λόγο διαστάσεων, το οποίο αποτελείται από δύο διακριτά στρώματα - ένα πορώδες υδρίτη στην κορυφή και ένα αδρανές στρώμα φραγμού από κάτω- η διαπερατότητά του εξαρτάται από τη θερμοκρασία, τον τύπο του ηλεκτρολύτη και τη διαδικασία που χρησιμοποιείται κατά την ανοδίωση.

Έχουν διεξαχθεί μελέτες για να κατανοηθεί πώς μπορεί να τροποποιηθεί η μορφολογία ενός ανοδικού στρώματος οξειδίου ώστε να αυξηθεί η αντοχή του στη διάβρωση. Διερευνήθηκαν διάφορες διεργασίες ανοδίωσης, όπως η ανοδίωση με θειικό οξύ (SAA) και η ανοδίωση με αυτοδιάταξη- η SAA λειτουργεί σε υψηλότερες τάσεις και θερμοκρασίες από την CAA για να παράγει παχύτερα στρώματα ανοδικού οξειδίου με πιο πορώδεις πόρους- η ανοδική αλουμίνα μπορεί επίσης να βαφτεί για αισθητικούς λόγους και να λιπανθεί με λιπαντικά ξηρού φιλμ, τεφλόν ή χρώμα για αυξημένη αντοχή στη φθορά και πρόσφυση.

Ιστορικά, ένας από τους καλύτερους τρόπους ενίσχυσης της αντοχής του ανοδικού αλουμινίου στη διάβρωση ήταν η σφράγιση της δομής των πόρων του. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με την εμβάπτιση ανοδιωμένου αλουμινίου σε διάλυμα το οποίο αντιδρά με την εξωτερική επιφάνεια του στρώματος οξειδίου και τα τοιχώματα των πόρων του για να σχηματίσει κρυστάλλους μποεμίτη που γεμίζουν τυχόν κενά που προκύπτουν και λειτουργούν ως στερεό φράγμα μεταξύ του υποστρώματος αλουμινίου και του περιβάλλοντός του.

Η μέθοδος αυτή δοκιμάστηκε σε διάφορα διαλύματα σφράγισης και για διάφορες διάρκειες και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όσο το ανοδιωμένο αλουμίνιο βυθιζόταν περισσότερο στο αντίστοιχο διάλυμα, η πυκνότητα του ρεύματος διάβρωσης μειωνόταν και η συγκέντρωση ιόντων στο εσωτερικό του μειωνόταν στους βέλτιστους χρόνους σφράγισης.

Ηλεκτρική μόνωση

Η ανοδίωση των εξαρτημάτων αλουμινίου χρησιμοποιείται από τη δεκαετία του 1920 ως αποτελεσματικό μέσο για την προστασία τους από τη διάβρωση. Μέσω της ηλεκτροχημικής οξείδωσης, μια ανοδιωμένη επιφάνεια υφίσταται χημική αλλαγή που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός εξαιρετικά σκληρού και ανθεκτικού στη φθορά στρώματος οξειδίου, το οποίο λειτουργεί επίσης ως ηλεκτρικός μονωτής - και όλα αυτά επιτυγχάνονται χωρίς να χρειάζεται να προστεθούν επιπλέον στρώματα.

Ένα ανοδικό στρώμα οξειδίου του αλουμινίου μπορεί να παραχθεί με τη χρήση συνεχούς ρεύματος σε ηλεκτρολυτικό διάλυμα με ένα αντικείμενο από αλουμίνιο να λειτουργεί ως άνοδος. Αυτό δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο που προκαλεί απελευθέρωση οξυγόνου στην επιφάνεια της ανόδου, ενώ ταυτόχρονα εμποδίζει την είσοδο ιόντων υδρογόνου από την πλευρά της καθόδου του στοιχείου, επιτρέποντας στο αλουμίνιο να δημιουργήσει μια φυσικά ανθεκτική επίστρωση οξειδίου του αλουμινίου, η οποία μπορεί στη συνέχεια να προσαρμοστεί σε κανονικές πορώδεις δομές.

Καθώς αυξάνεται η τάση ανοδίωσης, αυξάνεται και ο ρυθμός σχηματισμού πόρων. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου αυξάνεται σε υψηλότερες τάσεις και, ως εκ τούτου, ο ρυθμός μετακίνησης ιόντων είναι ταχύτερος στη βάση των πόρων, οδηγώντας σε συνθήκες ανεξέλεγκτης λειτουργίας, με αποτέλεσμα η βάση των πόρων να μεγαλώνει πολύ περισσότερο από το αναμενόμενο. Το φαινόμενο αυτό είναι κοινώς γνωστό ως runaway.

Οι υψηλές τάσεις που χρησιμοποιούνται κατά την ανοδίωση όχι μόνο επιταχύνουν την ταχύτητα οξείδωσης, αλλά μπορούν επίσης να προκαλέσουν την ενυδάτωση των τοιχωμάτων των πόρων καθώς τα ιόντα κινούνται μέσα στη δομή τους. Ως αποτέλεσμα, αυτά τα τοιχώματα περιέχουν συνήθως κάποια καθαρή αλουμίνα (Al2O3) μαζί με ανιόντα από το διάλυμα του ηλεκτρολύτη, νερό και μικρές ποσότητες νανοκρυσταλλιτών [7].

Το αλουμίνιο ανοδιωμένο σε ορισμένα όξινα μέσα παράγει μια κανονική αυτο-οργανωμένη δομή πόρων που καθιστά αποτελεσματική την ηλεκτρική μόνωση, σύμφωνα με το The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Η αλουμίνα διαθέτει την υψηλότερη διηλεκτρική αντοχή μεταξύ των φυσικών υλικών.

Θερμική αγωγιμότητα

Λόγω της αυξημένης ζήτησης για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής πυκνότητας, υπάρχει επείγουσα ανάγκη για καινοτόμα υλικά θερμικής διαχείρισης. Ως εκ τούτου, βρίσκονται σε εξέλιξη μελέτες για τη δημιουργία νανο-αλούμινας με βελτιωμένες θερμικές ιδιότητες για χρήση ως υλικό υγρής θερμικής διεπαφής, πληρωτικά κενών ή επιστρώσεις - με αποτέλεσμα να γίνονται πολυάριθμες μελέτες για την κατασκευή και την εφαρμογή της σε εφαρμογές υγρής θερμικής διεπαφής, πληρωτικά κενών ή επιστρώσεις.

Η ανοδίωση παράγει αλουμίνα με διάφορες φυσικές ιδιότητες, συμπεριλαμβανομένης της θερμικής αγωγιμότητας. Δυστυχώς, η μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητάς της μπορεί να είναι δύσκολη λόγω της ανοικτής δομής της με πλαίσιο χώρου. για την ακριβή αξιολόγηση της μέτρησης της θερμικής αγωγιμότητας των μεμβρανών ανοδιωμένης αλουμίνας είναι απαραίτητο να διαχωριστούν τα διαμήκη από τα εγκάρσια κανάλια πόρων με τη χρήση φωτοακουστικής τεχνικής ή τεχνικών μοντελοποίησης της θεωρίας του αποτελεσματικού μέσου (EMT).

Μια διαδικασία ανοδίωσης αρχίζει με την εφαρμογή ηλεκτρικού ρεύματος σε μια επιφάνεια υποστρώματος Al μέσω ενός ηλεκτρολύτη και την παραγωγή ενός οδοντωτού τοπίου, το οποίο χρησιμεύει ως χώρος για το σχηματισμό πόρων κατά τη διάρκεια ενός επακόλουθου βήματος ανοδίωσης. Στο Σχήμα 10 απεικονίζεται σχηματικά πώς αυτοί οι πόροι που παράγονται κατά τη διάρκεια αυτού του δεύτερου βήματος ανοδίωσης είναι πυκνά συσκευασμένοι με διατεταγμένα κανάλια που διατρέχουν ευθεία και παράλληλα κατά μήκος της επιφάνειάς τους.

Η διάμετρος των πόρων ενός προτύπου ανοδιωμένης αλουμίνας μπορεί να ελεγχθεί μέσω χημικής χάραξης, διευρύνοντας τους πόρους του μέσω χημικής χάραξης. Αυτή η διαδικασία οδηγεί συνήθως στη σταδιακή διάλυση των στρωμάτων οξειδίου που περιβάλλουν το κανάλι πόρων του και επιτρέπει έτσι την επίτευξη ρυθμιζόμενης διαμέτρου καναλιού που κυμαίνεται μεταξύ 8 nm και 530 nm.

Η θερμική αγωγιμότητα της ανοδιωμένης αλουμίνας εξαρτάται όχι μόνο από τη διάμετρο των πόρων της και τον τύπο της διεργασίας, αλλά και από τη μορφολογία του υποστρώματος - που μεταβάλλεται από μηχανικές, θερμικές και χημικές προεπεξεργασίες - και από το ιστορικό του υποστρώματος Al, όπως η ύπαρξη προϋπαρχόντων στρωμάτων οξειδίου που μεταβάλλουν την αυτοδιάταξη των δομών των πόρων κατά τη διεργασία ανοδίωσης δύο σταδίων, με αποτέλεσμα να αναφέρονται στη βιβλιογραφία διάφορες τιμές για τη θερμική αγωγιμότητα.

Αντοχή στην υγρασία

Η ανοδίωση αυξάνει το πάχος του φυσικού στρώματος οξειδίου του αλουμινίου που σχηματίζεται φυσικά στα εξαρτήματα αλουμινίου για να παράγει μια παχιά, ανθεκτική και χημικά αδρανή επίστρωση που διαρκεί πολύ περισσότερο από τα αρχικά εξαρτήματα που εκτίθενται σε σκληρές συνθήκες. Επιπλέον, η ανοδίωση καθιστά τα υλικά χημικά ανθεκτικά σε ουσίες όπως τα οξειδωτικά οξέα που κανονικά θα αποχρωματίζονταν και θα υποβάθμιζαν το μη επεξεργασμένο αλουμίνιο- αυτό σημαίνει ότι η επεξεργασία αυτή διατηρεί τα υλικά σε άριστη κατάσταση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα παρά τα σκληρά περιβάλλοντα.

Το ανοδιωμένο αλουμίνιο μπορεί επίσης να βαφτεί σε διάφορα χρώματα για την παραγωγή μοναδικών φινιρισμάτων, ενώ η διαδικασία βαφής βελτιώνει επίσης ορισμένες φυσικές ιδιότητες, όπως η ικανότητα εκπομπής του - καθιστώντας το ανοδιωμένο αλουμίνιο ιδανικό για θερμαντικά σώματα και εναλλάκτες θερμότητας.

Η ανοδίωση είναι επίσης μία από τις πιο φιλικές προς το περιβάλλον διαδικασίες φινιρίσματος μετάλλων, σε αντίθεση με την ολοκληρωμένη έγχρωμη ανοδίωση, καθώς δεν χρησιμοποιεί χημικές ουσίες και δεν παράγει πτητικές οργανικές ενώσεις (VOC). Επιπλέον, σε αντίθεση με τις διεργασίες ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης που παράγουν ιόντα βαρέων μετάλλων ή αλογόνα στο ρεύμα εκροής τους- αντίθετα, τα υποπροϊόντα τους ανακυκλώνονται σε προϊόντα όπως στυπτηρία, μπέικιν πάουντερ, καλλυντικά και κατασκευή εφημερίδων ή χρησιμοποιούνται ως συστήματα επεξεργασίας βιομηχανικών λυμάτων.

Οι ερευνητές ανακάλυψαν, χρησιμοποιώντας ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης, ότι η διαβρεξιμότητα των υμενίων ανοδικής πορώδους αλουμίνας (APA) μπορεί να μεταβληθεί μεταβάλλοντας τις συνθήκες σύνθεσής τους. Η ομάδα τους δημιούργησε έναν αισθητήρα υγρασίας ΑΑΟ με υψηλή ένταση σήματος, απόκριση και χρόνο αποκατάστασης με ανοδίωση εμπορικού κράματος αλουμινίου 1050 στα 20 V σε οξαλικό οξύ για ανοδίωση σε ένα βήμα στα 20 V αντί της πιο παραδοσιακής μεθόδου κατασκευής ανοδίωσης σε δύο βήματα στα 40 V - σημαντικά φθηνότερη και ταχύτερη μέθοδος κατασκευής για τη δημιουργία αισθητήρα υγρασίας ΑΑΟ.

Η έρευνα έδειξε επίσης ότι η διαβρεξιμότητα των υμενίων ΑΑΟ μπορεί να βελτιωθεί περαιτέρω με την αλλαγή της διαμέτρου των πόρων. Επιτεύχθηκε μια διαβάθμιση με την οποία η διαβρεξιμότητα αυξανόταν από τα δύο άκρα προς το κέντρο, όπου τα σταγονίδια νερού που σχηματίζονταν μετακινούνταν κατά μήκος αυτής της διαβάθμισης προτού συγχωνευθούν ταυτόχρονα σε ένα μεγάλο σταγονίδιο - η μέθοδος αυτή μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη κατά την κατασκευή μικρορευστομηχανικών συσκευών ή αναλυτικών τσιπ.