Anodický oxid hlinitý - ochrana kovových komponentov pred koróziou

Eloxovanie hliníka sa používa už viac ako 90 rokov na ochranu kovových komponentov pred koróziou. Elektrochemický proces mení povrchovú chémiu hliníka a vytvára hustú bariérovú vrstvu s pórovitými pórmi na maximálnu ochranu proti korózii.

Štúdie preukázali, že eloxovacie napätie môže riadiť migráciu iónov vo vrstve oxidu s pórmi, čo umožňuje rýchle a účinné procesy usporiadania buniek/porastov.

Odolnosť proti korózii

Eloxovaný hliník je zvyčajne odolný voči korózii, avšak tak ako všetky kovy aj on nakoniec skoroduje, ak sa poškriabe alebo poškriabe a obnažený hliník sa dostane na povrch - tento jav je všeobecne známy ako galvanická korózia alebo mokrá inštalácia. Zatiaľ čo galvanická korózia alebo mokrá inštalácia môže predstavovať problém v priemyselných aplikáciách, ako je letectvo, námorná technika a konštrukčné inžinierstvo, kde môže dôjsť k častému poškriabaniu alebo poškriabaniu povrchu, korózia nepredstavuje takú veľkú hrozbu, ak sú zavedené opatrenia na ochranu povrchu, ako napríklad náter odolný proti poškriabaniu.

Odolnosť anodického oxidu hlinitého proti korózii závisí od morfológie a zloženia jeho oxidovej vrstvy, ktorá sa vytvára eloxovaním. Eloxovaním sa vytvára oxidová vrstva s veľmi vysokým pomerom strán, ktorá pozostáva z dvoch odlišných vrstiev - porézneho hydrátu na vrchu a inertnej bariérovej vrstvy pod ním; jej priepustnosť závisí od teploty, typu elektrolytu a postupu použitého počas eloxovania.

Boli vykonané štúdie s cieľom pochopiť, ako možno zmeniť morfológiu anodickej oxidovej vrstvy, aby sa zvýšila jej odolnosť proti korózii. Skúmali sa rôzne procesy anodizácie, ako napríklad anodizácia kyselinou sírovou (SAA) a samoorganizujúca sa anodizácia; SAA pracuje pri vyšších napätiach a teplotách ako CAA, aby sa vytvorili hrubšie vrstvy anodického oxidu s pórovitejšími pórmi; anodický oxid hlinitý sa môže tiež farbiť z estetických dôvodov a mazať pomocou mazív so suchým filmom, teflónu alebo farby na zvýšenie odolnosti proti opotrebovaniu a priľnavosti.

Historicky jedným z najlepších spôsobov zvýšenia odolnosti anodického hliníka proti korózii bolo utesnenie jeho pórovej štruktúry. To sa dá dosiahnuť ponorením eloxovaného hliníka do roztoku, ktorý reaguje s vonkajším povrchom jeho oxidovej vrstvy a stenami pórov a vytvára kryštály boehmitu, ktoré vyplnia všetky vzniknuté medzery a pôsobia ako pevná bariéra medzi hliníkovým substrátom a jeho okolím.

Táto metóda bola testovaná v rôznych tesniacich roztokoch a na rôzne časové obdobia a výsledky ukázali, že s dlhším ponorením eloxovaného hliníka do príslušného roztoku sa znížila hustota jeho korózneho prúdu a koncentrácia iónov v ňom sa znížila optimálny čas tesnenia.

Elektrická izolácia

Eloxovanie hliníkových komponentov sa používa od 20. rokov minulého storočia ako účinný prostriedok na ich ochranu proti korózii. Prostredníctvom elektrochemickej oxidácie prechádza eloxovaný povrch chemickou zmenou, ktorá vedie k vytvoreniu extrémne tvrdej a proti opotrebovaniu odolnej oxidovej vrstvy, ktorá zároveň pôsobí ako elektrický izolant - to všetko sa dosahuje bez toho, aby bolo potrebné pridávať ďalšie vrstvy.

Anodickú vrstvu oxidu hlinitého možno vytvoriť pomocou jednosmerného prúdu v elektrolytickom roztoku, pričom ako anóda slúži hliníkový predmet. Tým sa vytvorí elektrické pole, ktoré vyvolá uvoľňovanie kyslíka na povrchu anódy a zároveň zabráni prenikaniu vodíkových iónov z katódovej strany článku, čím sa na hliníku vytvorí prirodzene odolná vrstva oxidu hlinitého, ktorú možno následne prispôsobiť do pravidelných poréznych štruktúr.

So zvyšovaním anodizačného napätia sa zvyšuje aj rýchlosť tvorby pórov. Je to preto, že intenzita elektrického poľa sa pri vyšších napätiach zvyšuje, a preto je rýchlosť pohybu iónov v báze pórov rýchlejšia, čo vedie k podmienkam, keď sa báza pórov zväčšuje oveľa viac, ako sa očakávalo. Tento jav je všeobecne známy ako únik.

Vysoké napätie používané počas eloxovania nielenže urýchľuje rýchlosť oxidácie, ale môže tiež spôsobiť hydratáciu stien pórov, pretože sa v ich štruktúre pohybujú ióny. V dôsledku toho tieto steny zvyčajne obsahujú časť čistého oxidu hlinitého (Al2O3) spolu s aniónmi z roztoku elektrolytu, vodou a malým množstvom nanokryštalitov [7].

Hliník eloxovaný v určitých kyslých médiách vytvára pravidelnú samoorganizujúcu sa štruktúru pórov, ktorá podľa Príručky chémie a fyziky, 43. vydanie, umožňuje účinnú elektrickú izoláciu. Hliník sa môže pochváliť najvyššou dielektrickou pevnosťou spomedzi prirodzene sa vyskytujúcich materiálov.

Tepelná vodivosť

Vzhľadom na zvýšený dopyt po elektronických zariadeniach s vysokou hustotou vznikla naliehavá potreba inovatívnych materiálov pre tepelný manažment. Preto prebiehajú štúdie zamerané na vytvorenie nanoalumínu so zlepšenými tepelnými vlastnosťami na použitie ako materiál na kvapalné tepelné rozhranie, výplne medzier alebo povlaky - čo vedie k mnohým štúdiám o jeho výrobe a použití v aplikáciách na kvapalné tepelné rozhranie, výplne medzier alebo povlaky.

Anodizáciou sa získava oxid hlinitý s rôznymi fyzikálnymi vlastnosťami vrátane tepelnej vodivosti. Bohužiaľ, meranie jeho tepelnej vodivosti môže byť náročné vzhľadom na jeho otvorenú priestorovú štruktúru; na presné posúdenie merania tepelnej vodivosti anodizovanej membrány oxidu hlinitého je potrebné oddeliť pozdĺžne a priečne pórové kanály pomocou fotoakustickej techniky alebo metód modelovania teórie efektívneho média (EMT).

Proces eloxovania sa začína privedením elektrického prúdu na povrch Al substrátu prostredníctvom elektrolytu a vytvorením členitej krajiny, ktorá slúži ako miesto pre vznik pórov počas nasledujúceho kroku eloxovania. Obrázok 10 schematicky znázorňuje, ako sú tieto póry vytvorené počas tohto druhého kroku anodizácie husto usporiadané s usporiadanými kanálmi prebiehajúcimi rovnobežne a paralelne pozdĺž ich povrchu.

Priemer pórov eloxovanej šablóny z oxidu hlinitého možno regulovať chemickým leptaním rozšírením jej pórov prostredníctvom chemického leptania. Tento proces zvyčajne vedie k postupnému rozpúšťaniu vrstiev oxidov obklopujúcich pórový kanál a umožňuje tak dosiahnuť nastaviteľný priemer kanála v rozsahu od 8 nm do 530 nm.

Tepelná vodivosť eloxovaného oxidu hlinitého závisí nielen od priemeru pórov a typu procesu, ale aj od morfológie substrátu - zmenenej mechanickými, tepelnými a chemickými predúpravami - a histórie Al substrátu, napríklad od už existujúcich vrstiev oxidov, ktoré menia usporiadanie štruktúr pórov počas dvojstupňového procesu eloxovania, čo vedie k rôznym hodnotám tepelnej vodivosti uvádzaným v literatúre.

Odolnosť voči vlhkosti

Eloxovanie zvyšuje hrúbku prirodzenej vrstvy oxidu hlinitého, ktorá sa prirodzene vytvára na hliníkových dieloch, a vytvára hrubý, pružný a chemicky inertný povlak, ktorý vydrží oveľa dlhšie ako pôvodné diely vystavené drsným podmienkam. Okrem toho eloxovanie robí materiály chemicky odolnými voči látkam, ako sú oxidačné kyseliny, ktoré by za normálnych okolností odfarbili a znehodnotili neošetrený hliník; to znamená, že táto úprava udržuje materiály dlhšie v neporušenom stave napriek drsným podmienkam.

Eloxovaný hliník možno tiež farbiť v rôznych farbách, aby sa dosiahli jedinečné povrchové úpravy, pričom proces farbenia zlepšuje aj niektoré prirodzené vlastnosti, ako je napríklad jeho emisivita, vďaka čomu je eloxovaný hliník ideálny na výrobu radiátorov a výmenníkov tepla.

Eloxovanie je tiež jedným z ekologickejších procesov povrchovej úpravy kovov, pretože na rozdiel od integrálneho farebného eloxovania sa pri ňom nepoužívajú chemikálie a neprodukujú sa prchavé organické zlúčeniny (VOC). Okrem toho, na rozdiel od procesov galvanického pokovovania, ktoré produkujú v prúde odpadových vôd ióny ťažkých kovov alebo halogény; namiesto toho sa ich vedľajšie produkty recyklujú do výrobkov, ako je hliník, prášok do pečiva, kozmetika a výroba novinového papiera, alebo sa používajú ako systémy priemyselného čistenia odpadových vôd.

Vedci pomocou skenovacieho elektrónového mikroskopu zistili, že zmáčavosť anodických poréznych vrstiev oxidu hlinitého (APA) možno meniť zmenou podmienok ich syntézy. Ich tím vytvoril AAO senzor vlhkosti s vysokou intenzitou signálu, odozvou a časom zotavenia anodizáciou komerčnej hliníkovej zliatiny 1050 pri 20 V v kyseline šťaveľovej pre jednostupňovú anodizáciu pri 20 V namiesto tradičnejšej dvojstupňovej metódy výroby anodizácie pri 40 V - výrazne lacnejšia a rýchlejšia metóda výroby pre tvorbu AAO senzora vlhkosti.

Výskum tiež ukázal, že zmáčavosť AAO filmov možno ďalej zvýšiť zmenou priemeru pórov. Dosiahol sa gradient, pri ktorom sa zmáčavosť zvyšovala od oboch koncov smerom k stredu, kde sa vytvorené kvapky vody pohybovali pozdĺž tohto gradientu predtým, ako sa naraz spojili do jednej veľkej kvapky - táto metóda sa môže ukázať ako mimoriadne užitočná pri výrobe mikrofluidných zariadení alebo analytických čipov.