Allumina anodica - Protezione dei componenti metallici dalla corrosione

L'anodizzazione dell'alluminio viene utilizzata da oltre 90 anni per proteggere i componenti metallici dalla corrosione. Il processo elettrochimico altera la chimica superficiale dell'alluminio per formare uno strato barriera denso con pori porosi per la massima protezione dalla corrosione.

Gli studi hanno dimostrato che la tensione di anodizzazione può controllare la migrazione degli ioni all'interno dello strato di ossido di base dei pori, consentendo processi di ordinamento cella/poro rapidi ed efficienti.

Resistenza alla corrosione

L'alluminio anodizzato è tipicamente resistente alla corrosione; tuttavia, come tutti i metalli, finisce per corrodersi se viene graffiato o intaccato e l'alluminio esposto diventa scoperto: questo fenomeno è comunemente noto come corrosione galvanica o wet install. Mentre la corrosione galvanica o l'installazione a umido possono creare problemi in applicazioni industriali come l'aerospaziale, l'ingegneria navale e l'ingegneria strutturale, dove le superfici possono graffiarsi o ammaccarsi frequentemente, la corrosione non rappresenta una minaccia così grande quando si adottano misure di protezione della superficie come il rivestimento antigraffio.

La resistenza alla corrosione dell'allumina anodica dipende sia dalla morfologia che dalla composizione del suo strato di ossido, prodotto tramite anodizzazione. L'anodizzazione crea uno strato di ossido con un rapporto di aspetto molto elevato, costituito da due strati distinti: un idrato poroso sulla parte superiore e uno strato barriera inerte al di sotto; la sua permeabilità dipende dalla temperatura, dal tipo di elettrolita e dalla procedura utilizzata durante l'anodizzazione.

Sono stati intrapresi studi per capire come la morfologia di uno strato di ossido anodico possa essere alterata per aumentarne la resistenza alla corrosione. Sono stati esplorati diversi processi di anodizzazione, come l'anodizzazione con acido solforico (SAA) e l'anodizzazione auto-ordinata; la SAA opera a tensioni e temperature più elevate rispetto alla CAA per produrre strati di ossido anodico più spessi con pori più porosi; l'allumina anodica può anche essere tinta per motivi estetici e lubrificata con lubrificanti a film secco, teflon o vernice per aumentare la resistenza all'usura e l'adesione.

Storicamente, uno dei modi migliori per migliorare la resistenza alla corrosione dell'alluminio anodico è stato quello di sigillare la struttura dei pori. Ciò può essere ottenuto immergendo l'alluminio anodizzato in una soluzione che reagisce con la superficie esterna dello strato di ossido e con le pareti dei pori per formare cristalli di boehmite che riempiono gli spazi vuoti risultanti e agiscono come una solida barriera tra il substrato di alluminio e l'ambiente circostante.

Questo metodo è stato testato in varie soluzioni di sigillatura e per varie durate e i risultati hanno mostrato che, man mano che l'alluminio anodizzato veniva immerso più a lungo nella rispettiva soluzione, la sua densità di corrente di corrosione diminuiva e la concentrazione di ioni al suo interno riduceva i tempi di sigillatura ottimali.

Isolamento elettrico

L'anodizzazione dei componenti in alluminio viene utilizzata fin dagli anni '20 come mezzo efficace per proteggerli dalla corrosione. Attraverso l'ossidazione elettrochimica, la superficie anodizzata subisce un cambiamento chimico che porta alla creazione di uno strato di ossido estremamente duro e resistente all'usura, che funge anche da isolante elettrico, il tutto senza bisogno di aggiungere altri strati.

Uno strato di ossido anodico di alluminio può essere prodotto utilizzando la corrente continua in una soluzione elettrolitica con un oggetto di alluminio che funge da anodo. In questo modo si crea un campo elettrico che induce il rilascio di ossigeno sulla superficie anodica e contemporaneamente impedisce l'ingresso di ioni di idrogeno dal lato catodico della cella, consentendo all'alluminio di creare un rivestimento di ossido di alluminio naturalmente resistente che può poi essere personalizzato in strutture porose regolari.

Con l'aumento della tensione di anodizzazione, aumenta anche il tasso di formazione dei pori. Ciò è dovuto al fatto che l'intensità del campo elettrico aumenta a tensioni più elevate e, di conseguenza, la velocità di movimento degli ioni è più rapida nella base dei pori, portando a condizioni di fuga in cui la base dei pori cresce molto più del previsto. Questo fenomeno è comunemente noto come runaway.

Le alte tensioni utilizzate durante l'anodizzazione non solo accelerano la velocità di ossidazione, ma possono anche causare l'idratazione delle pareti dei pori, in quanto gli ioni si muovono all'interno della loro struttura. Di conseguenza, queste pareti contengono tipicamente allumina pura (Al2O3) insieme agli anioni della soluzione elettrolitica, all'acqua e a piccole quantità di nanocristalli [7].

Secondo The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition, l'alluminio anodizzato in alcuni mezzi acidi produce una struttura regolare di pori che si auto-organizza e che consente un efficace isolamento elettrico. L'allumina vanta la più alta rigidità dielettrica tra i materiali presenti in natura.

Conduttività termica

A causa della crescente domanda di dispositivi elettronici ad alta densità, è emersa l'urgente necessità di materiali innovativi per la gestione termica. Per questo motivo, sono in corso studi per la creazione di nano-allumina con proprietà termiche migliorate da utilizzare come materiale per l'interfaccia termica liquida, riempitivi di gap o rivestimenti, che hanno portato a numerosi studi sulla sua fabbricazione e applicazione in applicazioni di materiale per l'interfaccia termica liquida, riempitivi di gap o rivestimenti.

L'anodizzazione produce allumina con varie proprietà fisiche, tra cui la conduttività termica. Purtroppo, la misurazione della sua conducibilità termica può essere difficile a causa della sua struttura spaziale aperta; per valutare con precisione la misura della conducibilità termica delle membrane di allumina anodizzata è necessario separare i canali dei pori longitudinali da quelli trasversali utilizzando la tecnica fotoacustica o le tecniche di modellazione della teoria del mezzo efficace (EMT).

Il processo di anodizzazione inizia applicando una corrente elettrica alla superficie di un substrato di Al attraverso un elettrolita e producendo un paesaggio frastagliato, che serve come sito per la formazione di pori durante una successiva fase di anodizzazione. La Figura 10 illustra schematicamente come i pori prodotti durante questa seconda fase di anodizzazione siano densamente impacchettati con canali ordinati che corrono dritti e paralleli lungo le loro superfici.

Il diametro dei pori di un modello di allumina anodizzata può essere controllato attraverso l'incisione chimica, allargando i pori attraverso l'incisione chimica. Questo processo porta alla dissoluzione graduale degli strati di ossido che circondano il canale dei pori e consente di ottenere un diametro del canale regolabile tra 8 e 530 nm.

La conducibilità termica dell'allumina anodizzata dipende non solo dal diametro dei pori e dal tipo di processo, ma anche dalla morfologia del substrato - alterata da pretrattamenti meccanici, termici e chimici - e dalla storia del substrato di Al, come ad esempio la presenza di strati di ossido preesistenti che alterano l'auto-ordine delle strutture dei pori durante il processo di anodizzazione in due fasi, con conseguenti diversi valori di conducibilità termica riportati in letteratura.

Resistenza all'umidità

L'anodizzazione aumenta lo spessore dello strato naturale di ossido di alluminio che si forma naturalmente sulle parti in alluminio, producendo un rivestimento spesso, resistente e chimicamente inerte che dura molto più a lungo delle parti originali esposte a condizioni difficili. Inoltre, l'anodizzazione rende i materiali chimicamente resistenti a sostanze come gli acidi ossidanti che normalmente scoloriscono e degradano l'alluminio non trattato; ciò significa che questo trattamento mantiene i materiali in condizioni immacolate più a lungo nonostante gli ambienti difficili.

L'alluminio anodizzato può anche essere tinto in una varietà di colori per produrre finiture uniche, mentre il processo di tintura migliora anche alcune proprietà naturali come la sua emissività, rendendo l'alluminio anodizzato ideale per radiatori e scambiatori di calore.

L'anodizzazione è anche uno dei processi di finitura dei metalli più rispettosi dell'ambiente, a differenza dell'anodizzazione integrale, in quanto non utilizza sostanze chimiche e non produce composti organici volatili (VOC). Inoltre, a differenza dei processi galvanici che producono ioni di metalli pesanti o alogeni nel flusso degli effluenti, i loro sottoprodotti vengono riciclati in prodotti come l'allume, il lievito, la produzione di cosmetici e di carta da giornale o utilizzati come sistemi di trattamento delle acque reflue industriali.

I ricercatori hanno scoperto, utilizzando un microscopio elettronico a scansione, che la bagnabilità dei film di allumina porosa anodica (APA) può essere modificata alterando le condizioni di sintesi. Il team ha creato un sensore di umidità AAO con un'elevata intensità di segnale, risposta e tempo di recupero anodizzando una lega di alluminio commerciale 1050 a 20 V in acido ossalico per un'anodizzazione in un'unica fase a 20 V piuttosto che con il più tradizionale metodo di fabbricazione a due fasi a 40 V - un metodo di fabbricazione significativamente più economico e veloce per la formazione di sensori di umidità AAO.

La ricerca ha anche dimostrato che la bagnabilità dei film di AAO può essere ulteriormente migliorata modificando il diametro dei pori. È stato ottenuto un gradiente in cui la bagnabilità è aumentata da entrambe le estremità verso il centro, dove le goccioline d'acqua formatesi si sono mosse lungo questo gradiente prima di fondersi in un'unica grande gocciolina: questo metodo potrebbe rivelarsi particolarmente utile nella fabbricazione di dispositivi microfluidici o chip analitici.