Alumina anódica - Proteção de componentes metálicos contra a corrosão

A anodização do alumínio é utilizada há mais de 90 anos para proteger os componentes metálicos contra a corrosão. Este processo eletroquímico altera a composição química da superfície do alumínio, formando uma camada de barreira densa com poros que proporciona a máxima proteção contra a corrosão.

Estudos demonstraram que a tensão de anodização pode controlar a migração de iões no interior de uma camada de óxido com base porosa, permitindo processos rápidos e eficientes de ordenação das células e dos poros.

Resistência à corrosão

O alumínio anodizado é, normalmente, resistente à corrosão; no entanto, tal como acontece com todos os metais, acabará por sofrer corrosão se for riscado ou amolgado e o alumínio ficar exposto – este fenómeno é comummente conhecido como corrosão galvânica ou «instalação húmida». Embora a corrosão galvânica ou a «instalação húmida» possam representar problemas para aplicações industriais como a indústria aeroespacial, a engenharia naval e a engenharia estrutural — onde as superfícies podem ficar riscadas ou amolgadas com frequência —, a corrosão não constitui uma ameaça tão grave quando são implementadas medidas de proteção da superfície, tais como revestimentos resistentes a riscos.

A resistência à corrosão da alumina anodizada depende tanto da sua morfologia como da composição da sua camada de óxido, produzida através do processo de anodização. A anodização cria uma camada de óxido com uma relação de aspecto muito elevada, composta por duas camadas distintas — um hidrato poroso na parte superior e uma camada de barreira inerte na parte inferior; a sua permeabilidade depende da temperatura, do tipo de eletrólito e do procedimento utilizado durante a anodização.

Foram realizados estudos para compreender como a morfologia de uma camada de óxido anódico pode ser alterada para aumentar a sua resistência à corrosão. Foram explorados diferentes processos de anodização, tais como a anodização com ácido sulfúrico (SAA) e a anodização auto-ordenada; O SAA opera a tensões e temperaturas mais elevadas do que o CAA, produzindo camadas de óxido anódico mais espessas e com poros mais abertos; a alumina anódica também pode ser tingida por razões estéticas e lubrificada com lubrificantes de película seca, Teflon ou tinta, para aumentar a resistência ao desgaste e a aderência.

Historicamente, uma das melhores formas de aumentar a resistência à corrosão do alumínio anodizado tem sido selar a sua estrutura porosa. Isto pode ser conseguido mergulhando o alumínio anodizado numa solução que reage com a superfície exterior da sua camada de óxido e com as paredes dos seus poros, formando cristais de boehmita que preenchem quaisquer lacunas resultantes e atuam como uma barreira sólida entre o substrato de alumínio e o ambiente circundante.

Este método foi testado em várias soluções de vedação e durante vários períodos de tempo, e os resultados revelaram que, à medida que o alumínio anodizado permanecia imerso durante mais tempo na respetiva solução, a sua densidade de corrente de corrosão diminuía e a concentração de iões na solução reduzia os tempos de vedação ideais.

Isolamento elétrico

A anodização de componentes de alumínio é utilizada desde a década de 1920 como um meio eficaz de os proteger contra a corrosão. Através da oxidação eletroquímica, uma superfície anodizada sofre uma alteração química que resulta na formação de uma camada de óxido extremamente dura e resistente ao desgaste, que também atua como isolante elétrico — tudo isto sem necessidade de aplicar camadas adicionais sobre a superfície.

É possível produzir uma camada de óxido de alumínio por anodização utilizando corrente contínua numa solução eletrolítica, com um objeto de alumínio a funcionar como ânodo. Isto cria um campo elétrico que induz a libertação de oxigénio na superfície do ânodo, impedindo simultaneamente a entrada de iões de hidrogénio pelo lado do cátodo da célula, permitindo que o alumínio crie um revestimento de óxido de alumínio naturalmente resistente ao desgaste, que pode depois ser personalizado para assumir estruturas porosas regulares.

À medida que a tensão de anodização aumenta, a taxa de formação de poros também aumenta. Isto deve-se ao facto de a intensidade do campo elétrico aumentar com tensões mais elevadas e, consequentemente, a velocidade de movimento dos iões ser mais rápida na base do poro, levando a condições de descontrole em que a base do poro cresce muito mais do que o esperado. Este fenómeno é vulgarmente conhecido como «descontrolo».

As altas tensões utilizadas durante a anodização não só aceleram a velocidade de oxidação, como também podem provocar a hidratação das paredes dos poros, à medida que os iões se deslocam no interior da sua estrutura. Consequentemente, estas paredes contêm normalmente alguma alumina pura (Al₂O₃), juntamente com aniões provenientes da solução electrolítica, água e pequenas quantidades de nanocristalitos [7].

O alumínio anodizado em determinados meios ácidos produz uma estrutura porosa regular e auto-organizada que proporciona um isolamento elétrico eficaz, de acordo com o *The Handbook of Chemistry and Physics*, 43.ª edição. A alumina apresenta a maior rigidez dielétrica entre os materiais de origem natural.

Condutividade térmica

Devido ao aumento da procura por dispositivos eletrónicos de alta densidade, tem-se verificado uma necessidade urgente de materiais inovadores para a gestão térmica. Como tal, estão em curso estudos para a criação de nano-alumina com propriedades térmicas melhoradas para utilização como material de interface térmica líquido, preenchimentos de espaços ou revestimentos — o que tem levado à realização de inúmeros estudos sobre a sua fabricação e aplicação em materiais de interface térmica líquidos, preenchimentos de espaços ou revestimentos.

A anodização produz alumina com várias propriedades físicas, incluindo a condutividade térmica. Infelizmente, medir a sua condutividade térmica pode ser um desafio devido à sua estrutura em treliça aberta; para avaliar com precisão a condutividade térmica da membrana de alumina anodizada, é necessário separar os canais dos poros longitudinais dos transversais, utilizando a técnica fotoacústica ou técnicas de modelação baseadas na teoria do meio efetivo (EMT).

Um processo de anodização começa com a aplicação de uma corrente elétrica à superfície de um substrato de Al através de um eletrólito, o que dá origem a uma superfície recuada, que serve de local para a formação de poros durante uma etapa subsequente de anodização. A Figura 10 ilustra esquematicamente como estes poros, produzidos durante esta segunda etapa de anodização, estão densamente preenchidos com canais ordenados que se estendem de forma reta e paralela ao longo das suas superfícies.

O diâmetro dos poros de um molde de alumina anodizada pode ser controlado através da gravação química, alargando os seus poros por meio desse processo. Este processo resulta normalmente na dissolução gradual das camadas de óxido que rodeiam o canal dos poros, permitindo assim obter um diâmetro de canal ajustável que varia entre 8 nm e 530 nm.

A condutividade térmica da alumina anodizada depende não só 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 historial do seu substrato de alumínio, como a presença de camadas de óxido pré-existentes que alteram a auto-organização das estruturas porosas durante o processo de anodização em duas etapas, resultando em vários valores de condutividade térmica relatados na literatura.

Resistência à humidade

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

O alumínio anodizado também pode ser tingido numa variedade de cores para produzir acabamentos únicos, ao mesmo tempo que o processo de tingimento melhora algumas propriedades naturais, como a sua emissividade — tornando o alumínio anodizado ideal para radiadores e permutadores de calor.

A anodização é também um dos processos de acabamento de metais mais ecológicos disponíveis, ao contrário da anodização com cor integral, uma vez que não utiliza produtos químicos nem produz compostos orgânicos voláteis (COV). Além disso, ao contrário dos processos de galvanoplastia, que produzem iões de metais pesados ou halogéneos nos seus efluentes, os seus subprodutos são reciclados em produtos como alúmen, fermento em pó, cosméticos e na fabricação de papel de jornal, ou utilizados em sistemas de tratamento de águas residuais industriais.

Os investigadores descobriram, utilizando um microscópio eletrónico de varrimento, que a molhabilidade das películas de alumina porosa anódica (APA) podia ser alterada através da modificação das condições de síntese. A sua equipa criou um sensor de humidade AAO com elevada intensidade de sinal, tempo de resposta e tempo de recuperação, através da anodização de uma liga de alumínio 1050 comercial a 20 V em ácido oxálico, num processo de anodização de uma única etapa a 20 V, em vez do método de fabrico mais tradicional de anodização em duas etapas a 40 V – um método de fabrico significativamente mais barato e rápido para a criação de sensores de humidade AAO.

A investigação demonstrou também que a molhabilidade das películas de AAO pode ser ainda mais melhorada através da alteração do diâmetro dos poros. Conseguiu-se obter um gradiente em que a molhabilidade aumentava a partir de ambas as extremidades em direção ao centro, onde as gotículas de água formadas se deslocavam ao longo desse gradiente antes de se fundirem de uma só vez numa única gotícula de grandes dimensões – este método poderá revelar-se particularmente útil na fabricação de dispositivos microfluídicos ou de chips analíticos.