Anodinen alumiinioksidi - metalliosien suojaaminen korroosiolta

Alumiinin anodisointia on käytetty yli 90 vuotta metalliosien suojaamiseen korroosiolta. Sähkökemiallinen prosessi muuttaa alumiinin pintakemiaa siten, että muodostuu tiheä suojakerros, jossa on huokoisia huokosia ja joka suojaa mahdollisimman hyvin korroosiolta.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että anodisointijännitteellä voidaan ohjata ionien siirtymistä huokosperäisessä oksidikerroksessa, mikä mahdollistaa nopeat ja tehokkaat solu/huokosjärjestysprosessit.

Korroosionkestävyys

Anodisoitu alumiini on yleensä korroosionkestävää; kuten kaikki metallit, se kuitenkin lopulta syöpyy, jos se naarmuuntuu tai kolhiintuu ja altistunut alumiini paljastuu - tämä ilmiö tunnetaan yleisesti galvaanisena korroosiona tai märkäasennuksena. Vaikka galvaaninen korroosio tai märkäasennus voi aiheuttaa ongelmia teollisissa sovelluksissa, kuten ilmailu- ja avaruustekniikassa, merenkulussa ja rakennustekniikassa, joissa pinnat voivat naarmuuntua tai kolhiintua usein, korroosio ei ole yhtä suuri uhka, kun pinnan suojaustoimenpiteet, kuten naarmuuntumaton pinnoite, ovat käytössä.

Anodisen alumiinioksidin korroosionkestävyys riippuu sekä sen morfologiasta että anodisoimalla tuotetun oksidikerroksen koostumuksesta. Anodisointi luo oksidikerroksen, jonka kuvasuhde on hyvin suuri ja joka koostuu kahdesta erillisestä kerroksesta - huokoisesta hydraatista yläpuolella ja inertistä sulkukerroksesta alapuolella; sen läpäisevyys riippuu lämpötilasta, elektrolyyttityypistä ja anodisoinnin aikana käytetystä menettelystä.

Tutkimuksissa on pyritty ymmärtämään, miten anodisen oksidikerroksen morfologiaa voidaan muuttaa sen korroosionkestävyyden parantamiseksi. Erilaisia anodisointiprosesseja tutkittiin, kuten rikkihappoanodisointia (SAA) ja itsejärjestäytyvää anodisointia; SAA toimii korkeammilla jännitteillä ja lämpötiloilla kuin CAA ja tuottaa paksumpia anodisia oksidikerroksia, joissa on huokoisempia huokosia; anodinen alumiinioksidi voidaan myös värjätä esteettisistä syistä ja voidella kuivakalvon voiteluaineilla, teflonilla tai maaleilla kulutuskestävyyden ja tarttuvuuden parantamiseksi.

Historiallisesti yksi parhaista tavoista parantaa anodisen alumiinin korroosionkestävyyttä on ollut sen huokosrakenteen tiivistäminen. Tämä voidaan toteuttaa upottamalla anodisoitu alumiini liuokseen, joka reagoi sen oksidikerroksen ulkopinnan ja huokosten seinämien kanssa muodostaen böhmiittikiteitä, jotka täyttävät kaikki syntyvät aukot ja toimivat kiinteänä esteenä alumiinialustan ja sen ympäristön välillä.

Tätä menetelmää on testattu erilaisissa tiivistysliuoksissa ja eri pituisia aikoja, ja tulokset osoittivat, että kun anodisoitua alumiinia upotettiin pidempään vastaavaan liuokseen, sen korroosiovirran tiheys väheni ja ionien pitoisuus väheni optimaalisten tiivistysaikojen aikana.

Sähköeristys

Alumiinikomponenttien anodisointi on ollut käytössä 1920-luvulta lähtien tehokkaana keinona suojata ne korroosiolta. Sähkökemiallisen hapettumisen avulla anodisoitu pinta muuttuu kemiallisesti, jolloin syntyy erittäin kova ja kulutusta kestävä oksidikerros, joka toimii myös sähköisenä eristeenä - ja tämä kaikki saavutetaan ilman, että siihen tarvitsee lisätä lisäkerroksia.

Alumiinin anodinen oksidikerros voidaan tuottaa käyttämällä tasavirtaa elektrolyyttiliuoksessa, jossa alumiininen esine toimii anodina. Tämä luo sähkökentän, joka saa aikaan hapen vapautumisen anodin pinnalla ja estää samalla vetyionien pääsyn kennon katodin puolelta, jolloin alumiinista muodostuu luonnostaan kestävä alumiinioksidipinnoite, joka voidaan sitten muokata säännöllisiksi huokoisiksi rakenteiksi.

Kun anodisointijännitettä nostetaan, myös huokosten muodostumisnopeus kasvaa. Tämä johtuu siitä, että sähkökentän voimakkuus kasvaa suuremmilla jännitteillä, jolloin ionien liikkumisnopeus huokospohjassa on nopeampi, mikä johtaa karkaamisolosuhteisiin, joissa huokospohja kasvaa paljon odotettua suuremmaksi. Tämä ilmiö tunnetaan yleisesti nimellä runaway.

Anodisoinnin aikana käytetyt korkeat jännitteet eivät ainoastaan nopeuta hapettumisnopeutta, vaan voivat myös aiheuttaa huokosten seinämien hydratoitumista ionien liikkuessa niiden rakenteessa. Tämän seurauksena nämä seinämät sisältävät tyypillisesti jonkin verran puhdasta alumiinioksidia (Al2O3) sekä elektrolyyttiliuoksesta peräisin olevia anioneja, vettä ja pieniä määriä nanokiteisiä [7].

Tietyissä happamissa väliaineissa anodisoitu alumiini muodostaa säännöllisen itseorganisoituvan huokosrakenteen, joka tekee siitä tehokkaan sähköeristyksen, kertoo The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Alumiinioksidilla on luonnossa esiintyvistä materiaaleista korkein dielektrinen lujuus.

Lämmönjohtavuus

Suuritiheyksisten elektroniikkalaitteiden kasvaneen kysynnän vuoksi innovatiivisille lämmönhallintamateriaaleille on ollut kiireellinen tarve. Tämän vuoksi on käynnissä tutkimuksia, joiden tarkoituksena on luoda nano-alumiinia, jolla on parannetut lämpöominaisuudet ja jota voidaan käyttää nestemäisenä lämpörajapintamateriaalina, rakojen täyteaineena tai pinnoitteena - mikä on johtanut lukuisiin tutkimuksiin, jotka koskevat sen valmistusta ja käyttöä nestemäisenä lämpörajapintamateriaalina, rakojen täyteaineena tai pinnoitteena.

Anodisointi tuottaa alumiinioksidia, jolla on erilaisia fysikaalisia ominaisuuksia, kuten lämmönjohtavuus. Valitettavasti sen lämmönjohtavuuden mittaaminen voi olla haastavaa sen avoimen tilakehärakenteen vuoksi; anodisoidun alumiinioksidikalvon lämmönjohtavuuden mittaamisen arvioimiseksi tarkasti on tarpeen erottaa pitkittäiset ja poikittaiset huokoskanavat toisistaan fotoakustisella tekniikalla tai tehokkaan väliaineen teorian (EMT) mallinnustekniikoilla.

Anodisointiprosessi alkaa soveltamalla sähkövirtaa Al-alustan pintaan elektrolyytin läpi ja tuottamalla syvennyksiä, jotka toimivat huokosten muodostumispaikkana myöhemmän anodisointivaiheen aikana. Kuvassa 10 esitetään kaaviomaisesti, kuinka nämä toisen anodisointivaiheen aikana syntyneet huokoset ovat tiheästi pakattuja ja niiden pinnoilla on järjestettyjä kanavia, jotka kulkevat suoraan ja yhdensuuntaisesti.

Anodisoidun alumiinioksidimallin huokosten halkaisijaa voidaan säätää kemiallisella etsauksella laajentamalla sen huokosia kemiallisella etsauksella. Tämä prosessi johtaa tyypillisesti huokoskanavaa ympäröivien oksidikerrosten asteittaiseen liukenemiseen ja mahdollistaa siten kanavan säädettävän halkaisijan, joka vaihtelee 8 nm:n ja 530 nm:n välillä.

Anodisoidun alumiinioksidin lämmönjohtavuus ei riipu ainoastaan sen huokosten halkaisijasta ja prosessityypistä, vaan myös substraatin morfologiasta - jota muuttavat mekaaniset, termiset ja kemialliset esikäsittelyt - ja sen Al-substraatin historiasta, kuten siitä, että sillä on jo olemassa olevia oksidikerroksia, jotka muuttavat huokosrakenteiden itsejärjestäytymistä kaksivaiheisen anodisointiprosessin aikana, mikä johtaa kirjallisuudessa raportoituihin erilaisiin lämmönjohtavuuden arvoihin.

Kosteuden kestävyys

Anodisointi lisää alumiiniosiin luonnostaan muodostuvan alumiinioksidikerroksen paksuutta, jolloin saadaan paksu, kestävä ja kemiallisesti inertti pinnoite, joka kestää paljon kauemmin kuin alkuperäiset osat, jotka ovat alttiina ankarille olosuhteille. Lisäksi anodisointi tekee materiaaleista kemiallisesti vastustuskykyisiä sellaisia aineita, kuten hapettavia happoja vastaan, jotka normaalisti värjäisivät ja hajottaisivat käsittelemätöntä alumiinia; tämä tarkoittaa, että tämä käsittely pitää materiaalit koskemattomassa kunnossa pidempään ankarista olosuhteista huolimatta.

Anodisoitua alumiinia voidaan myös värjätä useilla eri väreillä ainutlaatuisten viimeistelyjen aikaansaamiseksi, ja värjäysprosessi parantaa myös joitakin luonnollisia ominaisuuksia, kuten sen emissiivisyyttä, mikä tekee anodisoidusta alumiinista ihanteellisen pattereihin ja lämmönvaihtimiin.

Anodisointi on myös yksi ympäristöystävällisimmistä käytettävissä olevista metallien viimeistelyprosesseista, toisin kuin integroitu värianodisointi, sillä siinä ei käytetä kemikaaleja eikä se tuota haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC). Lisäksi toisin kuin galvanointiprosessit, jotka tuottavat raskasmetalli-ioneja tai halogeeneja jätevesivirtaan, niiden sivutuotteet kierrätetään tuotteisiin, kuten alunaan, leivinjauheeseen, kosmetiikkaan ja sanomalehtipaperin valmistukseen, tai niitä käytetään teollisuuden jätevesien käsittelyjärjestelmissä.

Tutkijat havaitsivat pyyhkäisyelektronimikroskoopin avulla, että anodisen huokoisen alumiinioksidin (APA) kalvojen kostutuskykyä voidaan muuttaa muuttamalla niiden synteesiolosuhteita. Heidän ryhmänsä loi AAO-kosteusanturin, jolla oli korkea signaalin voimakkuus, vaste ja palautumisaika anodisoimalla kaupallinen 1050-alumiiniseos 20 V:n jännitteellä oksaalihapossa yhden vaiheen anodisointia 20 V:n jännitteellä perinteisemmän kaksivaiheisen anodisoinnin 40 V:n jännitteellä valmistusmenetelmän sijasta - huomattavasti halvempi ja nopeampi valmistusmenetelmä AAO-kosteusanturin muodostamiseksi.

Tutkimus osoitti myös, että AAO-kalvojen kostutuskykyä voidaan parantaa edelleen muuttamalla huokosten halkaisijaa. Saavutettiin gradientti, jossa kostutuskyky kasvoi molemmista päistä kohti keskustaa, jossa muodostuneet vesipisarat liikkuivat tätä gradienttia pitkin ennen kuin ne yhdistyivät kerralla yhdeksi suureksi pisaraksi - tämä menetelmä voi osoittautua erityisen hyödylliseksi mikrofluidisten laitteiden tai analyyttisten sirujen valmistuksessa.