陽極アルミナ - 金属部品を腐食から守る

アルミニウム陽極酸化処理は、金属部品を腐食から保護するために90年以上使用されてきました。電気化学的プロセスは、アルミニウムの表面化学を変化させ、最大の腐食保護のための多孔質孔を持つ緻密なバリア層を形成します。

陽極酸化電圧は、細孔ベース酸化物層内でのイオン移動を制御し、高速で効率的な細胞／細孔の秩序化プロセスを提供できることが、研究により実証されている。

耐食性

陽極酸化アルミニウムは通常、腐食に耐性がありますが、すべての金属と同様に、傷や打痕が付き、アルミニウムが露出すると、最終的には腐食します。この現象は一般的に、ガルバニック腐食またはウェットインストールとして知られています。ガルバニック腐食やウェットインストールは、表面が頻繁に傷ついたり凹んだりする可能性のある航空宇宙、海洋工学、構造工学のような産業用途では問題になるかもしれませんが、スクラッチプルーフコーティングのような表面保護対策が施されていれば、腐食はそれほど大きな脅威にはなりません。

陽極酸化アルミナの耐食性は、陽極酸化によって生成される酸化皮膜の形態と組成の両方に依存する。陽極酸化は、上部の多孔質水和物と下部の不活性バリア層という2つの異なる層からなる、非常に高いアスペクト比を持つ酸化物層を形成します。その透過性は、温度、電解液の種類、陽極酸化中に採用される手順に依存します。

耐食性を向上させるために、陽極酸化皮膜の形態をどのように変化させることができるかを理解するための研究が行われてきた。硫酸陽極酸化（SAA）や自己組織化陽極酸化など、さまざまな陽極酸化プロセスが検討された。SAAは、CAAよりも高い電圧と温度で動作し、より多孔質の孔を持つ厚い陽極酸化層を生成する。陽極酸化アルミナは、美観上の理由から染色することもでき、耐摩耗性と密着性を高めるために、ドライフィルム潤滑剤、テフロン、塗料を使用して潤滑することもできる。

歴史的に、陽極酸化アルミニウムの耐食性を向上させる最良の方法の1つは、その細孔構造を封止することであった。これは、陽極酸化アルミニウムを溶液に浸漬することによって達成することができます。この溶液は、酸化皮膜の外表面および気孔の壁と反応し、ボーマイト結晶を形成し、その結果生じる隙間を埋め、アルミニウム基材とその環境の間の強固な障壁として機能します。

この方法は、様々なシーリング溶液と様々な時間でテストされ、その結果、陽極酸化アルミニウムがそれぞれの溶液に長く浸漬されるほど、その腐食電流密度は減少し、その中のイオン濃度は最適なシーリング時間を減少させることが示された。

電気絶縁

アルマイト処理は、アルミニウム部品を腐食から保護する効果的な手段として、1920年代から使用されてきました。電気化学的酸化により、アルマイト表面は化学変化を起こし、電気絶縁体としても機能する非常に硬く耐摩耗性の高い酸化皮膜が形成されます。

アルミニウム陽極酸化皮膜は、アルミニウム物体を陽極として機能させ、電解液中で直流電流を使用して生成することができる。これにより電界が形成され、陽極表面での酸素放出が誘導されると同時に、陰極側からの水素イオンの侵入が阻止されるため、アルミニウムは自然に硬い酸化アルミニウム被膜を形成し、これを通常の多孔質構造にカスタマイズすることができる。

陽極酸化電圧を上げると、細孔形成速度も上がる。これは、電圧が高くなると電界強度が高くなるため、気孔底部でのイオン移動速度が速くなり、気孔底部が予想以上に大きくなる暴走状態になるためである。この現象は一般に暴走として知られている。

陽極酸化中に使用される高電圧は、酸化速度を速めるだけでなく、イオンがその構造内を移動するため、孔壁が水和状態になることもある。その結果、これらの壁には通常、電解質溶液からの陰イオン、水、少量のナノ結晶とともに、純粋なアルミナ（Al2O3）が含まれる[7]。

The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Editionによると、特定の酸性媒体中で陽極酸化されたアルミニウムは、効果的な電気絶縁を可能にする規則的な自己組織化細孔構造を生成する。アルミナは自然界に存在する物質の中で最も高い絶縁耐力を誇る。

熱伝導率

高密度電子デバイスの需要増加により、革新的な熱管理材料が急務となっている。そのため、液体熱インターフェース材料、ギャップフィラー、またはコーティングとして使用するために、熱特性を向上させたナノアルミナを作製する研究が進められており、液体熱インターフェース材料、ギャップフィラー、またはコーティングの用途におけるナノアルミナの作製と応用について多くの研究が行われている。

陽極酸化により、熱伝導性を含む様々な物理的特性を持つアルミナが製造される。アルマイト膜の熱伝導率測定を正確に評価するためには、光音響技術や有効媒体理論（EMT）モデリング技術を用いて、縦孔と横孔を分離する必要があります。

陽極酸化プロセスは、電解液を通してAl基板表面に電流を印加し、くぼんだ地形を生成することから始まり、この地形は、その後の陽極酸化ステップの間に細孔が形成される場所として機能する。図10は、この2回目の陽極酸化工程で生成された細孔が、表面に沿って平行にまっすぐ走る秩序だったチャンネルで、どのように密に詰まっているかを模式的に示している。

陽極酸化アルミナテンプレートの細孔直径は、化学エッチングによって細孔を広げることで制御できる。このプロセスでは通常、細孔チャネルを囲む酸化物層が徐々に溶解するため、8nmから530nmの範囲でチャネル径を調整することができる。

陽極酸化アルミナの熱伝導率は、細孔直径やプロセスの種類に依存するだけでなく、機械的、熱的、化学的な前処理によって変化する基板の形態や、2段階の陽極酸化処理中に細孔構造の自己秩序を変化させる既存の酸化層を持つなど、そのAl基板の履歴にも依存するため、文献に報告されている熱伝導率の値はさまざまです。

耐湿性

陽極酸化処理により、アルミニウム部品に自然に形成される酸化アルミニウム層の厚みが増し、厚く弾力性のある化学的に不活性な皮膜が形成されます。さらに、アルマイト処理によって、酸化性酸のような、通常なら未処理のアルミニウムを変色させたり劣化させたりするような物質に対する化学的耐性が高まります。つまり、この処理は、過酷な環境にもかかわらず、材料をより長く原状に保つことを意味します。

また、アルマイトをさまざまな色に染色することで、ユニークな仕上げにすることができます。染色することで、放射率などの自然特性も向上するため、アルマイトはラジエーターや熱交換器に最適です。

また、アルマイト処理は、化学薬品を使用せず、揮発性有機化合物（VOC）を発生させないため、インテグラル・カラー・アルマイト処理とは異なり、より環境に優しい金属仕上げプロセスの1つである。さらに、排水中に重金属イオンやハロゲンを生成する電気メッキプロセスとは異なり、その副産物はミョウバン、ベーキングパウダー、化粧品、新聞紙製造などの製品にリサイクルされるか、工業廃水処理システムとして使用される。

研究者らは、走査型電子顕微鏡を用いて、陽極酸化ポーラスアルミナ（APA）膜の濡れ性が、その合成条件を変えることで変化することを発見した。研究チームは、市販の1050アルミニウム合金をシュウ酸中で20Vで陽極酸化することにより、高い信号強度、応答性、回復時間を持つAAO湿度センサーを作製した。

研究はまた、孔径を変えることでAAO膜の濡れ性をさらに高められることも実証した。濡れ性が両端から中央に向かって増加する勾配が達成され、形成された水滴はこの勾配に沿って移動した後、一度に1つの大きな水滴に合流する。この方法は、マイクロ流体デバイスや分析チップを製造する際に特に有用である。