Anodowy tlenek glinu - ochrona elementów metalowych przed korozją

Anodowanie aluminium jest stosowane od ponad 90 lat w celu ochrony elementów metalowych przed korozją. Proces elektrochemiczny zmienia chemię powierzchni aluminium, tworząc gęstą warstwę barierową z porowatymi porami dla maksymalnej ochrony przed korozją.

Badania wykazały, że napięcie anodowania może kontrolować migrację jonów w warstwie tlenku na bazie porów, zapewniając szybkie i wydajne procesy porządkowania komórek/porów.

Odporność na korozję

Anodowane aluminium jest zazwyczaj odporne na korozję; jednak, podobnie jak wszystkie metale, w końcu ulegnie korozji, jeśli zostanie zarysowane lub uderzone, a odsłonięte aluminium zostanie odsłonięte - zjawisko to jest powszechnie znane jako korozja galwaniczna lub mokra instalacja. Podczas gdy korozja galwaniczna lub instalacja na mokro może stanowić problem w zastosowaniach przemysłowych, takich jak lotnictwo, inżynieria morska i inżynieria strukturalna, gdzie powierzchnie mogą być często zarysowane lub obijane, korozja nie stanowi tak dużego zagrożenia, gdy stosowane są środki ochrony powierzchni, takie jak powłoka odporna na zarysowania.

Odporność anodowego tlenku glinu na korozję zależy zarówno od jego morfologii, jak i składu warstwy tlenku, wytwarzanej w procesie anodowania. Anodowanie tworzy warstwę tlenku o bardzo wysokim współczynniku kształtu, składającą się z dwóch odrębnych warstw - porowatego hydratu na wierzchu i obojętnej warstwy barierowej pod spodem; jej przepuszczalność zależy od temperatury, rodzaju elektrolitu i procedury stosowanej podczas anodowania.

Przeprowadzono badania mające na celu zrozumienie, w jaki sposób można zmienić morfologię anodowej warstwy tlenku, aby zwiększyć jej odporność na korozję. Zbadano różne procesy anodowania, takie jak anodowanie kwasem siarkowym (SAA) i anodowanie samoorganizujące się; SAA działa przy wyższych napięciach i temperaturach niż CAA, aby wytworzyć grubsze anodowe warstwy tlenku z bardziej porowatymi porami; anodowy tlenek glinu może być również barwiony ze względów estetycznych i smarowany za pomocą suchych smarów, teflonu lub farby w celu zwiększenia odporności na zużycie i przyczepności.

Historycznie, jednym z najlepszych sposobów na zwiększenie odporności anodowanego aluminium na korozję było uszczelnienie jego struktury porów. Można to osiągnąć poprzez zanurzenie anodowanego aluminium w roztworze, który reaguje z zewnętrzną powierzchnią warstwy tlenku i ściankami porów, tworząc kryształy boehmitu, które wypełniają wszelkie powstałe szczeliny i działają jako solidna bariera między aluminiowym podłożem a jego otoczeniem.

Metoda ta została przetestowana w różnych roztworach uszczelniających i przez różny czas, a wyniki pokazały, że gdy anodowane aluminium było zanurzone dłużej w odpowiednim roztworze, jego gęstość prądu korozyjnego zmniejszyła się, a stężenie jonów w nim zmniejszyło optymalny czas uszczelnienia.

Izolacja elektryczna

Anodowanie elementów aluminiowych jest stosowane od lat 20. ubiegłego wieku jako skuteczny sposób na zabezpieczenie ich przed korozją. Poprzez elektrochemiczne utlenianie, anodowana powierzchnia ulega zmianie chemicznej, co skutkuje utworzeniem niezwykle twardej i odpornej na zużycie warstwy tlenku, która działa również jako izolator elektryczny - wszystko to osiąga się bez konieczności dodawania dodatkowych warstw.

Anodowa warstwa tlenku aluminium może być wytwarzana przy użyciu prądu stałego w roztworze elektrolitycznym z aluminiowym przedmiotem działającym jako anoda. Tworzy to pole elektryczne, które indukuje uwalnianie tlenu na powierzchni anody, jednocześnie zapobiegając przedostawaniu się jonów wodoru od strony katody ogniwa, umożliwiając aluminium tworzenie naturalnie wytrzymałej powłoki tlenku glinu, którą można następnie dostosować do regularnych porowatych struktur.

Wraz ze wzrostem napięcia anodowania wzrasta również szybkość tworzenia porów. Dzieje się tak, ponieważ natężenie pola elektrycznego wzrasta przy wyższych napięciach, a tym samym szybkość ruchu jonów jest szybsza w podstawie porów, co prowadzi do warunków niekontrolowanego wzrostu, w których podstawa porów staje się znacznie większa niż oczekiwano. Zjawisko to jest powszechnie znane jako runaway.

Wysokie napięcia stosowane podczas anodowania nie tylko przyspieszają szybkość utleniania, ale mogą również powodować uwodnienie ścian porów w miarę przemieszczania się jonów w ich strukturze. W rezultacie ścianki te zazwyczaj zawierają pewną ilość czystego tlenku glinu (Al2O3) wraz z anionami z roztworu elektrolitu, wodą i niewielkimi ilościami nanokrystalitów [7].

Aluminium anodowane w pewnych kwaśnych mediach wytwarza regularną, samoorganizującą się strukturę porów, która zapewnia skuteczną izolację elektryczną, zgodnie z The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Tlenek glinu charakteryzuje się najwyższą wytrzymałością dielektryczną wśród naturalnie występujących materiałów.

Przewodność cieplna

Ze względu na zwiększone zapotrzebowanie na urządzenia elektroniczne o dużej gęstości, istnieje pilne zapotrzebowanie na innowacyjne materiały do zarządzania ciepłem. W związku z tym prowadzone są badania nad stworzeniem nano-tlenku glinu o ulepszonych właściwościach termicznych do stosowania jako płynny materiał interfejsu termicznego, wypełniacze szczelin lub powłoki - co prowadzi do licznych badań nad jego wytwarzaniem i zastosowaniem w płynnych materiałach interfejsu termicznego, wypełniaczach szczelin lub powłokach.

Anodyzacja pozwala uzyskać tlenek glinu o różnych właściwościach fizycznych, w tym przewodności cieplnej. Niestety, pomiar jego przewodności cieplnej może być trudny ze względu na otwartą strukturę przestrzenną; aby dokładnie ocenić pomiar przewodności cieplnej membrany z anodyzowanego tlenku glinu, konieczne jest oddzielenie podłużnych i poprzecznych kanałów porów za pomocą techniki fotoakustycznej lub technik modelowania efektywnej teorii ośrodka (EMT).

Proces anodyzacji rozpoczyna się od przyłożenia prądu elektrycznego do powierzchni podłoża Al przez elektrolit i wytworzenia wgłębienia, które służy jako miejsce tworzenia się porów podczas kolejnego etapu anodyzacji. Rysunek 10 przedstawia schematycznie, w jaki sposób pory powstałe podczas drugiego etapu anodowania są gęsto upakowane z uporządkowanymi kanałami biegnącymi prosto i równolegle wzdłuż ich powierzchni.

Średnica porów szablonu z anodyzowanego tlenku glinu może być kontrolowana poprzez trawienie chemiczne poprzez poszerzenie jego porów poprzez trawienie chemiczne. Proces ten zazwyczaj powoduje stopniowe rozpuszczanie warstw tlenku otaczających kanał porów, a tym samym umożliwia uzyskanie regulowanej średnicy kanału w zakresie od 8 nm do 530 nm.

Przewodność cieplna anodyzowanego tlenku glinu zależy nie tylko od jego średnicy porów i rodzaju procesu, ale także od morfologii podłoża - zmienionej przez wstępną obróbkę mechaniczną, termiczną i chemiczną - oraz historii jego podłoża Al, takiego jak posiadanie wcześniej istniejących warstw tlenku, które zmieniają samo-porządkowanie struktur porów podczas dwuetapowego procesu anodyzacji, co skutkuje różnymi wartościami przewodności cieplnej podawanymi w literaturze.

Odporność na wilgoć

Anodowanie zwiększa grubość naturalnej warstwy tlenku aluminium, która naturalnie tworzy się na częściach aluminiowych, tworząc grubą, sprężystą i chemicznie obojętną powłokę, która wytrzymuje znacznie dłużej niż oryginalne części narażone na trudne warunki. Co więcej, anodyzacja sprawia, że materiały są chemicznie odporne na substancje takie jak kwasy utleniające, które normalnie odbarwiałyby i degradowały nieobrobione aluminium; co oznacza, że ta obróbka utrzymuje materiały w nieskazitelnym stanie dłużej pomimo trudnych warunków.

Anodowane aluminium może być również barwione na różne kolory w celu uzyskania unikalnych wykończeń, a proces barwienia poprawia również niektóre naturalne właściwości, takie jak emisyjność - dzięki czemu anodowane aluminium jest idealne do grzejników i wymienników ciepła.

Anodowanie jest również jednym z bardziej przyjaznych dla środowiska procesów wykańczania metali, w przeciwieństwie do anodowania w kolorze integralnym, ponieważ nie wykorzystuje chemikaliów i nie wytwarza lotnych związków organicznych (LZO). Co więcej, w przeciwieństwie do procesów galwanicznych, które wytwarzają jony metali ciężkich lub halogeny w strumieniu ścieków; zamiast tego ich produkty uboczne są poddawane recyklingowi do produktów takich jak ałun, proszek do pieczenia, kosmetyki i produkcja papieru gazetowego lub wykorzystywane jako przemysłowe systemy oczyszczania ścieków.

Naukowcy odkryli, używając skaningowego mikroskopu elektronowego, że zwilżalność anodowych porowatych warstw tlenku glinu (APA) można zmieniać, zmieniając warunki ich syntezy. Ich zespół stworzył czujnik wilgotności AAO o wysokiej intensywności sygnału, odpowiedzi i czasie regeneracji poprzez anodowanie komercyjnego stopu aluminium 1050 przy 20 V w kwasie szczawiowym w celu jednoetapowego anodowania przy 20 V zamiast bardziej tradycyjnej dwuetapowej metody anodowania przy 40 V - znacznie tańszej i szybszej metody wytwarzania czujnika wilgotności AAO.

Badania wykazały również, że zwilżalność warstw AAO można dodatkowo zwiększyć poprzez zmianę średnicy porów. Uzyskano gradient, w którym zwilżalność wzrastała od obu końców w kierunku środka, gdzie utworzone krople wody poruszały się wzdłuż tego gradientu, zanim połączyły się w jedną dużą kroplę - metoda ta może okazać się szczególnie przydatna przy wytwarzaniu urządzeń mikroprzepływowych lub chipów analitycznych.