Alumina anódica - Proteção de componentes metálicos contra corrosão

A anodização do alumínio tem sido usada há mais de 90 anos para proteger os componentes metálicos contra a corrosão. O processo eletroquímico altera a química da superfície do alumínio para formar uma camada de barreira densa com poros porosos para máxima proteção contra a corrosão.

Estudos demonstraram que a tensão de anodização pode controlar a migração de íons em uma camada de óxido com base em poros, proporcionando processos rápidos e eficientes de ordenação de células/poros.

Resistência à corrosão

O alumínio anodizado é normalmente resistente à corrosão; no entanto, como todos os metais, ele acabará sendo corroído se for arranhado ou amassado e o alumínio exposto ficar exposto - esse fenômeno é comumente conhecido como corrosão galvânica ou instalação úmida. Embora a corrosão galvânica ou a instalação úmida possam causar problemas em aplicações industriais como a aeroespacial, a engenharia naval e a engenharia estrutural, em que as superfícies podem ser arranhadas ou amassadas com frequência, a corrosão não representa uma ameaça tão grande quando medidas de proteção de superfície, como o revestimento à prova de arranhões, estão em vigor.

A resistência à corrosão da alumina anódica depende de sua morfologia e da composição de sua camada de óxido, produzida por anodização. A anodização cria uma camada de óxido com uma relação de aspecto muito alta, que consiste em duas camadas distintas - um hidrato poroso na parte superior e uma camada de barreira inerte na parte inferior; sua permeabilidade depende da temperatura, do tipo de eletrólito e do procedimento empregado durante a anodização.

Foram realizados estudos para entender como a morfologia de uma camada de óxido anódico pode ser alterada para aumentar sua resistência à corrosão. Diferentes processos de anodização foram explorados, como a anodização com ácido sulfúrico (SAA) e a anodização auto-ordenada; a SAA opera em tensões e temperaturas mais altas do que a CAA para produzir camadas de óxido anódico mais espessas com poros mais porosos; a alumina anódica também pode ser tingida por motivos estéticos e lubrificada com lubrificantes de filme seco, Teflon ou tinta para aumentar a resistência ao desgaste e a adesão.

Historicamente, uma das melhores maneiras de aumentar a resistência à corrosão do alumínio anódico tem sido vedar sua estrutura de poros. Isso pode ser feito por meio da imersão do alumínio anodizado em uma solução que reage com a superfície externa da camada de óxido e com as paredes dos poros para formar cristais de boehmita que preenchem as lacunas resultantes e atuam como uma barreira sólida entre o substrato de alumínio e seu ambiente.

Esse método foi testado em várias soluções de vedação e por várias durações, e os resultados mostraram que, à medida que o alumínio anodizado era imerso por mais tempo em sua respectiva solução, sua densidade de corrente de corrosão diminuía e a concentração de íons dentro dele reduzia os tempos ideais de vedação.

Isolamento elétrico

A anodização de componentes de alumínio tem sido usada desde a década de 1920 como um meio eficaz de protegê-los contra a corrosão. Por meio da oxidação eletroquímica, uma superfície anodizada passa por uma mudança química que resulta na criação de uma camada de óxido extremamente dura e resistente ao desgaste, que também atua como isolante elétrico - tudo isso sem a necessidade de adicionar outras camadas.

Uma camada de óxido anódico de alumínio pode ser produzida usando corrente direta em uma solução eletrolítica com um objeto de alumínio atuando como ânodo. Isso cria um campo elétrico que induz a liberação de oxigênio na superfície do ânodo e, ao mesmo tempo, impede a entrada de íons de hidrogênio do lado do cátodo da célula, permitindo que o alumínio crie um revestimento de óxido de alumínio naturalmente resistente que pode ser personalizado em estruturas porosas regulares.

À medida que a tensão de anodização é aumentada, a taxa de formação de poros também aumenta. Isso ocorre porque a força do campo elétrico aumenta em tensões mais altas e, como tal, a taxa de movimentação de íons é mais rápida na base do poro, levando a condições de fuga em que a base do poro cresce muito mais do que o esperado. Esse fenômeno é comumente conhecido como fuga.

As altas tensões usadas durante a anodização não apenas aceleram a velocidade de oxidação, mas também podem fazer com que as paredes dos poros se tornem hidratadas à medida que os íons se movem dentro de sua estrutura. Como resultado, essas paredes normalmente contêm um pouco de alumina pura (Al2O3) junto com ânions da solução eletrolítica, água e pequenas quantidades de nanocristalitos [7].

O alumínio anodizado em certos meios ácidos produz uma estrutura regular de poros auto-organizados que contribui para um isolamento elétrico eficaz, de acordo com o The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. A alumina apresenta a maior resistência dielétrica entre os materiais naturais.

Condutividade térmica

Devido ao aumento da demanda por dispositivos eletrônicos de alta densidade, há uma necessidade urgente de materiais inovadores de gerenciamento térmico. Assim, estão sendo realizados estudos para a criação de nanoalumina com propriedades térmicas aprimoradas para uso como material de interface térmica líquida, preenchimentos de lacunas ou revestimentos, o que levou à realização de vários estudos sobre sua fabricação e aplicação em materiais de interface térmica líquida, preenchimentos de lacunas ou revestimentos.

A anodização produz alumina com várias propriedades físicas, incluindo a condutividade térmica. Infelizmente, a medição de sua condutividade térmica pode ser um desafio devido à sua estrutura de espaço aberto; para avaliar com precisão a medição da condutividade térmica da membrana de alumina anodizada, é necessário separar os canais de poros longitudinais dos transversais usando a técnica fotoacústica ou as técnicas de modelagem da teoria do meio efetivo (EMT).

Um processo de anodização começa com a aplicação de uma corrente elétrica a uma superfície de substrato de Al por meio de um eletrólito, produzindo uma paisagem recortada que serve como local para a formação de poros durante uma etapa subsequente de anodização. A Figura 10 mostra esquematicamente como esses poros produzidos durante essa segunda etapa de anodização são densamente compactados com canais ordenados que correm retos e paralelos ao longo de suas superfícies.

O diâmetro dos poros de um modelo de alumina anodizada pode ser controlado por meio de gravação química, ampliando seus poros por meio de gravação química. Esse processo normalmente resulta na dissolução gradual das camadas de óxido que circundam o canal de poros e, portanto, permite obter um diâmetro de canal ajustável que varia entre 8 nm e 530 nm.

A condutividade térmica da alumina anodizada depende não apenas do diâmetro dos poros e do tipo de processo, mas também da morfologia do substrato - alterada por pré-tratamentos mecânicos, térmicos e químicos - e do histórico do substrato de Al, como a existência de camadas de óxido preexistentes que alteram a auto-ordenação das estruturas dos poros durante o processo de anodização em duas etapas, resultando em vários valores de condutividade térmica relatados na literatura.

Resistência à umidade

A anodização aumenta a espessura da camada natural de óxido de alumínio que se forma naturalmente nas peças de alumínio para produzir um revestimento espesso, resistente e quimicamente inerte que dura muito mais do que as peças originais expostas a condições adversas. Além disso, a anodização torna os materiais quimicamente resistentes a substâncias como ácidos oxidantes, que normalmente descolorem e degradam o alumínio não tratado, o que significa que esse tratamento mantém os materiais em condições perfeitas por mais tempo, apesar dos ambientes adversos.

O alumínio anodizado também pode ser tingido em várias cores para produzir acabamentos exclusivos, enquanto o processo de tingimento também melhora algumas propriedades naturais, como a emissividade, o que torna o alumínio anodizado ideal para radiadores e trocadores de calor.

A anodização também é um dos processos de acabamento de metal mais ecológicos disponíveis, diferentemente da anodização colorida integral, pois não utiliza produtos químicos e não produz compostos orgânicos voláteis (VOCs). Além disso, ao contrário dos processos de galvanoplastia, que produzem íons de metais pesados ou halogênios em seu fluxo de efluentes, seus subprodutos são reciclados em produtos como alume, fermento em pó, cosméticos e fabricação de papel de jornal ou usados como sistemas de tratamento de águas residuais industriais.

Os pesquisadores descobriram, usando um microscópio eletrônico de varredura, que a molhabilidade dos filmes de alumina porosa anódica (APA) poderia ser alterada por meio da modificação das condições de síntese. Sua equipe criou um sensor de umidade de AAO com alta intensidade de sinal, resposta e tempo de recuperação por meio da anodização da liga de alumínio 1050 comercial a 20 V em ácido oxálico para uma etapa de anodização a 20 V em vez do método de fabricação mais tradicional de anodização em duas etapas a 40 V - método de fabricação significativamente mais barato e mais rápido para a formação do sensor de umidade de AAO.

A pesquisa também demonstrou que a molhabilidade dos filmes de AAO pode ser aprimorada ainda mais com a alteração do diâmetro dos poros. Foi obtido um gradiente em que a molhabilidade aumentou de ambas as extremidades em direção ao centro, onde as gotículas de água formadas se moveram ao longo desse gradiente antes de se fundirem de uma só vez em uma gota grande - esse método pode ser particularmente útil na fabricação de dispositivos microfluídicos ou chips analíticos.