Anodisk aluminiumoksid - beskytter metallkomponenter mot korrosjon

Anodisering av aluminium har blitt brukt i over 90 år for å beskytte metallkomponenter mot korrosjon. Den elektrokjemiske prosessen endrer overflatekjemien i aluminium slik at det dannes et tett barrierelag med porøse porer som gir maksimal korrosjonsbeskyttelse.

Studier har vist at anodiseringsspenningen kan kontrollere ionemigrasjonen i et pore-basert oksidlag, noe som gir raske og effektive celle/pore-organiseringsprosesser.

Motstandsdyktighet mot korrosjon

Anodisert aluminium er vanligvis motstandsdyktig mot korrosjon, men som med alle metaller vil det til slutt korrodere hvis det blir riper eller bulker i overflaten og det eksponerte aluminiumet blir blottlagt - dette fenomenet er ofte kjent som galvanisk korrosjon eller våtmontering. Mens galvanisk korrosjon eller våtinstallasjon kan utgjøre et problem for industrielle bruksområder som romfart, marinteknikk og konstruksjonsteknikk, der overflater kan bli ripet eller bulket ofte, utgjør ikke korrosjon en like stor trussel når overflatebeskyttelsestiltak som ripesikkert belegg er på plass.

Korrosjonsbestandigheten til anodisk aluminiumoksid avhenger av både morfologien og sammensetningen av oksidlaget, som produseres ved anodisering. Anodisering skaper et oksidlag med et svært høyt størrelsesforhold, bestående av to distinkte lag - et porøst hydrat på toppen og et inert barrierelag under; permeabiliteten avhenger av temperatur, elektrolyttype og fremgangsmåte som brukes under anodiseringen.

Det er gjennomført studier for å forstå hvordan morfologien til et anodisk oksidlag kan endres for å øke korrosjonsbestandigheten. Ulike anodiseringsprosesser ble utforsket, for eksempel svovelsyreanodisering (SAA) og selvordnende anodisering. SAA brukes ved høyere spenninger og temperaturer enn CAA for å produsere tykkere anodiske oksidlag med mer porøse porer. Anodisk aluminiumoksid kan også farges av estetiske grunner og smøres med tørrfilmsmøremidler, teflon eller maling for å øke slitestyrke og vedheft.

Historisk sett har en av de beste måtene å forbedre korrosjonsbestandigheten til anodisert aluminium på vært å forsegle porestrukturen. Dette kan oppnås ved å senke anodisert aluminium ned i en løsning som reagerer med den ytre overflaten av oksidlaget og poreveggene, slik at det dannes boehmitkrystaller som fyller hullene som oppstår, og fungerer som en solid barriere mellom aluminiumsubstratet og omgivelsene.

Denne metoden har blitt testet i ulike tetningsløsninger og i ulike varigheter, og resultatene viste at etter hvert som det anodiserte aluminiumet ble nedsenket lenger i den respektive løsningen, ble korrosjonsstrømtettheten redusert, og konsentrasjonen av ioner i den optimale tetningstiden ble redusert.

Elektrisk isolasjon

Anodisering av aluminiumkomponenter har vært i bruk siden 1920-tallet som et effektivt middel for å beskytte dem mot korrosjon. Ved hjelp av elektrokjemisk oksidasjon gjennomgår en anodisert overflate en kjemisk endring som resulterer i et ekstremt hardt og slitesterkt oksidlag som også fungerer som en elektrisk isolator - alt dette oppnås uten at det er nødvendig å legge på flere lag.

Et anodisk oksidlag av aluminium kan produseres ved hjelp av likestrøm i en elektrolytisk løsning med et aluminiumsobjekt som anode. Dette skaper et elektrisk felt som induserer oksygenfrigjøring på anodeoverflaten, samtidig som hydrogenioner hindres i å komme inn fra katodens side av cellen, slik at aluminium kan danne et naturlig slitesterkt aluminiumoksidbelegg som deretter kan tilpasses til vanlige porøse strukturer.

Når anodiseringsspenningen økes, øker også poredannelseshastigheten. Dette skyldes at den elektriske feltstyrken øker ved høyere spenninger, og at ionebevegelseshastigheten i poreunderlaget dermed går raskere, noe som fører til at poreunderlaget vokser seg mye større enn forventet. Dette fenomenet er kjent som "runaway".

Høye spenninger som brukes under anodisering, øker ikke bare oksidasjonshastigheten, men kan også føre til at poreveggene blir hydratiserte når ionene beveger seg i strukturen. Resultatet er at disse veggene vanligvis inneholder noe ren aluminiumoksid (Al2O3) sammen med anioner fra elektrolyttløsningen, vann og små mengder nanokrystallitter [7].

Aluminium som anodiseres i visse sure medier, får en regelmessig selvorganiserende porestruktur som gir effektiv elektrisk isolasjon, ifølge The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Aluminiumoksid har den høyeste dielektriske styrken blant naturlig forekommende materialer.

Termisk konduktivitet

På grunn av den økte etterspørselen etter elektroniske enheter med høy tetthet har det oppstått et presserende behov for innovative varmestyringsmaterialer. Derfor pågår det studier for å skape nanoaluminiumoksid med forbedrede termiske egenskaper som kan brukes som flytende termisk grensesnittmateriale, gap-fyllere eller belegg - noe som har ført til en rekke studier av fremstilling og bruk av nanoaluminiumoksid som flytende termisk grensesnittmateriale, gap-fyllere eller belegg.

Anodisering gir aluminiumoksid med ulike fysiske egenskaper, inkludert varmeledningsevne. Dessverre kan det være utfordrende å måle varmeledningsevnen på grunn av den åpne romstrukturen. For å kunne måle varmeledningsevnen til anodiserte aluminiumoksidmembraner nøyaktig, er det nødvendig å skille langsgående fra tverrgående porer ved hjelp av fotoakustisk teknikk eller modelleringsteknikker basert på effektiv mediumteori (EMT).

En anodiseringsprosess begynner med at en elektrisk strøm tilføres et Al-substrats overflate gjennom en elektrolytt, noe som skaper et innrykket landskap som danner porer i det påfølgende anodiseringstrinnet. Figur 10 viser skjematisk hvordan porene som dannes i dette andre anodiseringstrinnet, er tettpakket med ordnede kanaler som løper rett og parallelt langs overflaten.

Porediameteren til en anodisert aluminiumoksidmal kan kontrolleres gjennom kjemisk etsing ved å utvide porene gjennom kjemisk etsing. Denne prosessen resulterer vanligvis i en gradvis oppløsning av oksidlagene som omgir porkanalen, og gjør det dermed mulig å oppnå en justerbar kanaldiameter på mellom 8 nm og 530 nm.

Varmeledningsevnen til anodisert aluminiumoksid avhenger ikke bare av porediameteren og prosesstypen, men også av substratets morfologi - som er endret av mekaniske, termiske og kjemiske forbehandlinger - og historien til aluminiumsubstratet, for eksempel om det har eksisterende oksidlag som endrer porestrukturenes selvorganisering under totrinns anodiseringsprosessen, noe som resulterer i ulike verdier for varmeledningsevne som er rapportert i litteraturen.

Motstandsdyktighet mot fuktighet

Anodisering øker tykkelsen på det naturlige aluminiumoksidlaget som naturlig dannes på aluminiumsdeler, slik at man får et tykt, elastisk og kjemisk inert belegg som varer langt lenger enn originale deler som utsettes for tøffe forhold. Anodisering gjør dessuten materialene kjemisk motstandsdyktige mot stoffer som oksiderende syrer, som normalt misfarger og bryter ned ubehandlet aluminium, noe som betyr at denne behandlingen holder materialene i uberørt stand lenger til tross for tøffe omgivelser.

Anodisert aluminium kan også farges i en rekke ulike farger for å skape unike overflater, og fargeprosessen forbedrer også noen av aluminiumets naturlige egenskaper, som for eksempel emissivitet - noe som gjør anodisert aluminium ideelt til radiatorer og varmevekslere.

Anodisering er også en av de mer miljøvennlige metallbehandlingsprosessene som finnes, i motsetning til integrert fargeanodisering, ettersom den ikke bruker kjemikalier og ikke produserer flyktige organiske forbindelser (VOC). I motsetning til elektropletteringsprosesser som produserer tungmetallioner eller halogener i avløpsvannet, blir biproduktene i stedet resirkulert til produkter som alun, bakepulver, kosmetikk og avispapir, eller brukt som renseanlegg for industrielt avløpsvann.

Ved hjelp av et skanningelektronmikroskop oppdaget forskerne at fuktbarheten til anodiske porøse aluminiumoksidfilmer (APA) kunne endres ved å endre synteseforholdene. Teamet skapte en AAO-fuktighetssensor med høy signalintensitet, respons og restitusjonstid ved å anodisere en kommersiell 1050-aluminiumslegering ved 20 V i oksalsyre i ett trinn i stedet for den mer tradisjonelle to-trinns anodiseringen ved 40 V - en betydelig billigere og raskere metode for å lage AAO-fuktighetssensorer.

Forskningen viste også at AAO-filmens fuktbarhet kan forbedres ytterligere ved å endre porediameteren. Det ble oppnådd en gradient der fuktbarheten økte fra begge ender mot midten, der vanndråpene som ble dannet, beveget seg langs denne gradienten før de smeltet sammen til én stor dråpe - en metode som kan vise seg å være spesielt nyttig ved fremstilling av mikrofluidiske enheter eller analysebrikker.