Анодный глинозем - защита металлических компонентов от коррозии

Анодирование алюминия уже более 90 лет используется для защиты металлических компонентов от коррозии. Электрохимический процесс изменяет химический состав поверхности алюминия, образуя плотный барьерный слой с пористыми порами для максимальной защиты от коррозии.

Исследования показали, что напряжение анодирования может контролировать миграцию ионов в оксидном слое с порами, обеспечивая быстрые и эффективные процессы упорядочивания клеток и пор.

Устойчивость к коррозии

Анодированный алюминий, как правило, устойчив к коррозии, однако, как и все металлы, он со временем подвергается коррозии, если на нем появляются царапины или царапины и обнажается алюминий - это явление обычно известно как гальваническая коррозия или мокрая установка. Хотя гальваническая коррозия или мокрая установка могут представлять проблемы для промышленных применений, таких как аэрокосмическая, морская техника и инженерные конструкции, где поверхности могут часто царапаться или ударяться, коррозия не представляет такой большой угрозы, когда применяются меры по защите поверхности, такие как покрытие, предотвращающее царапины.

Коррозионная стойкость анодного глинозема зависит как от его морфологии, так и от состава оксидного слоя, образующегося в результате анодирования. При анодировании образуется оксидный слой с очень высоким аспектным отношением, состоящий из двух отдельных слоев - пористого гидрата сверху и инертного барьерного слоя под ним; его проницаемость зависит от температуры, типа электролита и процедуры, используемой при анодировании.

Были проведены исследования, чтобы понять, как можно изменить морфологию анодного оксидного слоя для повышения его коррозионной стойкости. Были изучены различные процессы анодирования, такие как сернокислотное анодирование (SAA) и самоорганизующееся анодирование; SAA работает при более высоких напряжениях и температурах, чем CAA, чтобы получить более толстый анодный оксидный слой с более пористыми порами; анодный глинозем также может быть окрашен по эстетическим причинам и смазан с помощью сухого пленочного лубриканта, тефлона или краски для повышения износостойкости и адгезии.

Исторически сложилось так, что одним из лучших способов повышения коррозионной стойкости анодного алюминия является герметизация его поровой структуры. Этого можно добиться, погрузив анодированный алюминий в раствор, который вступает в реакцию с внешней поверхностью оксидного слоя и стенками пор, образуя кристаллы боэмита, которые заполняют все образовавшиеся пустоты и выступают в качестве прочного барьера между алюминиевой подложкой и окружающей средой.

Этот метод был испытан в различных растворах для герметизации и в течение различных периодов времени, и результаты показали, что по мере того, как анодированный алюминий погружался в соответствующий раствор на более длительный срок, плотность тока коррозии снижалась, а концентрация ионов в нем уменьшалась до оптимального времени герметизации.

Электрическая изоляция

Анодирование алюминиевых деталей используется с 1920-х годов как эффективное средство защиты от коррозии. Благодаря электрохимическому окислению анодированная поверхность претерпевает химические изменения, в результате которых образуется чрезвычайно твердый и износостойкий оксидный слой, который также выступает в качестве электроизолятора - все это достигается без необходимости нанесения дополнительных слоев.

Анодный оксидный слой алюминия может быть получен с помощью постоянного тока в электролитическом растворе с алюминиевым объектом в качестве анода. Это создает электрическое поле, вызывающее выделение кислорода на поверхности анода и одновременно препятствующее проникновению ионов водорода со стороны катода, что позволяет алюминию создать естественное прочное покрытие из оксида алюминия, которое затем может быть преобразовано в обычные пористые структуры.

При увеличении напряжения анодирования увеличивается и скорость образования пор. Это происходит потому, что при более высоком напряжении увеличивается напряженность электрического поля и, как следствие, скорость движения ионов в основании пор возрастает, что приводит к возникновению условий, при которых основание пор становится гораздо больше, чем ожидалось. Это явление широко известно как бегство.

Высокое напряжение, используемое при анодировании, не только ускоряет скорость окисления, но и может привести к гидратации стенок пор при перемещении ионов в их структуре. В результате эти стенки обычно содержат некоторое количество чистого глинозема (Al2O3) вместе с анионами из раствора электролита, водой и небольшим количеством нанокристаллитов [7].

Алюминий, анодированный в определенных кислотных средах, образует регулярную самоорганизующуюся структуру пор, которая обеспечивает эффективную электроизоляцию, говорится в The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Глинозем обладает самой высокой диэлектрической прочностью среди материалов природного происхождения.

Теплопроводность

В связи с ростом спроса на электронные устройства высокой плотности возникла острая необходимость в инновационных материалах для терморегулирования. В связи с этим ведутся исследования по созданию наноглинозема с улучшенными тепловыми свойствами для использования в качестве жидкого термоинтерфейсного материала, заполнителей зазоров или покрытий, что привело к проведению многочисленных исследований по его изготовлению и применению в жидких термоинтерфейсных материалах, заполнителях зазоров или покрытиях.

Анодирование позволяет получить глинозем с различными физическими свойствами, включая теплопроводность. К сожалению, измерение его теплопроводности может быть затруднено из-за его открытой пространственно-каркасной структуры; для точной оценки измерения теплопроводности мембраны из анодированного глинозема необходимо отделить продольные каналы пор от поперечных, используя фотоакустический метод или методы моделирования теории эффективной среды (EMT).

Процесс анодирования начинается с подачи электрического тока на поверхность Al-подложки через электролит с образованием вдавленной поверхности, которая служит местом образования пор на последующем этапе анодирования. На рис. 10 схематично показано, как поры, образовавшиеся во время второго этапа анодирования, плотно упакованы с упорядоченными каналами, идущими прямо и параллельно вдоль их поверхности.

Диаметр пор анодированного алюминиевого шаблона можно регулировать с помощью химического травления, расширяя его поры путем химического травления. Этот процесс обычно приводит к постепенному растворению оксидных слоев, окружающих канал пор, и таким образом позволяет получить регулируемый диаметр канала в диапазоне от 8 нм до 530 нм.

Теплопроводность анодированного глинозема зависит не только от диаметра пор и типа процесса, но и от морфологии подложки, измененной механической, термической и химической предварительной обработкой, а также от истории Al-подложки, например, наличия предсуществующих оксидных слоев, которые изменяют самоупорядочение структуры пор в процессе двухступенчатого анодирования, что приводит к различным значениям теплопроводности, о которых сообщается в литературе.

Устойчивость к влаге

Анодирование увеличивает толщину естественного слоя оксида алюминия, который естественным образом образуется на алюминиевых деталях, создавая толстое, прочное и химически инертное покрытие, которое служит гораздо дольше, чем оригинальные детали, подвергающиеся воздействию суровых условий. Кроме того, анодирование делает материалы химически устойчивыми к воздействию таких веществ, как окислительные кислоты, которые обычно обесцвечивают и разрушают необработанный алюминий; это означает, что такая обработка позволяет дольше сохранять материалы в первозданном виде, несмотря на суровые условия эксплуатации.

Анодированный алюминий можно окрашивать в различные цвета для получения уникальной отделки, а процесс окрашивания также улучшает некоторые природные свойства, такие как излучательная способность, что делает анодированный алюминий идеальным для радиаторов и теплообменников.

Анодирование также является одним из наиболее экологичных процессов отделки металла, в отличие от интегрального цветного анодирования, поскольку в нем не используются химикаты и не образуются летучие органические соединения (ЛОС). Кроме того, в отличие от гальванических процессов, которые производят ионы тяжелых металлов или галогены в потоке сточных вод; вместо этого их побочные продукты перерабатываются в такие продукты, как квасцы, пекарский порошок, косметика и газетная бумага, или используются в качестве систем очистки промышленных сточных вод.

Исследователи обнаружили с помощью сканирующего электронного микроскопа, что смачиваемость пленок анодного пористого глинозема (APA) можно изменить, изменив условия их синтеза. Их команда создала датчик влажности AAO с высокой интенсивностью сигнала, откликом и временем восстановления путем анодирования коммерческого алюминиевого сплава 1050 при 20 В в щавелевой кислоте для одноэтапного анодирования при 20 В вместо более традиционного метода двухэтапного анодирования при 40 В - значительно более дешевого и быстрого метода изготовления датчика влажности AAO.

Исследование также показало, что смачиваемость пленок AAO может быть дополнительно увеличена за счет изменения диаметра пор. Был достигнут градиент, при котором смачиваемость увеличивалась от обоих концов к центру, где образовавшиеся капли воды двигались по этому градиенту, прежде чем слиться в одну большую каплю - этот метод может оказаться особенно полезным при изготовлении микрофлюидических устройств или аналитических чипов.