Anodni aluminijev oksid - zaščita kovinskih delov pred korozijo

Anodiranje aluminija se za zaščito kovinskih sestavnih delov pred korozijo uporablja že več kot 90 let. Elektrokemični postopek spremeni kemijsko sestavo površine aluminija, tako da nastane gost zaporni sloj s poroznimi porami za največjo zaščito pred korozijo.

Študije so pokazale, da lahko anodizacijska napetost nadzoruje migracijo ionov v plasti oksida na osnovi por, kar omogoča hitre in učinkovite procese urejanja celic/por.

Odpornost na korozijo

Anodizirani aluminij je običajno odporen proti koroziji, vendar pa bo tako kot vse kovine sčasoma korodiral, če bo opraskan ali razpokan in bo izpostavljen aluminij postal izpostavljen - ta pojav je znan kot galvanska korozija ali mokra namestitev. Čeprav galvanska korozija ali mokra namestitev lahko predstavlja težave pri industrijskih aplikacijah, kot so letalstvo, pomorstvo in gradbeništvo, kjer se površine lahko pogosto opraskajo ali udarijo, korozija ne predstavlja tako velike nevarnosti, če so na voljo ukrepi za zaščito površine, kot je premaz proti praskam.

Korozijska odpornost anodičnega aluminijevega oksida je odvisna od morfologije in sestave oksidne plasti, ki nastane z anodiranjem. Anodizacija ustvari oksidno plast z zelo visokim razmerjem stranic, sestavljeno iz dveh različnih plasti - poroznega hidrata na vrhu in inertne zaporne plasti pod njim; njena prepustnost je odvisna od temperature, vrste elektrolita in postopka, uporabljenega med anodizacijo.

Opravljene so bile študije, da bi razumeli, kako je mogoče spremeniti morfologijo anodne oksidne plasti, da bi povečali njeno korozijsko odpornost. Raziskani so bili različni postopki anodiranja, kot sta anodiranje z žveplovo kislino (SAA) in anodiranje s samourejanjem; SAA deluje pri višjih napetostih in temperaturah kot CAA, da se ustvarijo debelejše anodne oksidne plasti z več poroznimi porami; anodni aluminijev oksid se lahko tudi obarva iz estetskih razlogov in namaže z mazivi s suhim filmom, teflonom ali barvo za večjo odpornost proti obrabi in oprijem.

V preteklosti je bil eden najboljših načinov za povečanje odpornosti anodnega aluminija proti koroziji tesnjenje njegove strukture por. To je mogoče doseči s potopitvijo anodiziranega aluminija v raztopino, ki reagira z zunanjo površino njegove oksidne plasti in stenami njegovih por ter tvori kristale boemita, ki zapolnijo vse nastale vrzeli in delujejo kot trdna pregrada med aluminijasto podlago in okoljem.

Ta metoda je bila preizkušena v različnih raztopinah za tesnjenje in za različna trajanja, rezultati pa so pokazali, da se je z daljšim potopitvijo anodiziranega aluminija v ustrezno raztopino zmanjšala gostota korozijskega toka in koncentracija ionov v njem, kar je zmanjšalo optimalni čas tesnjenja.

Električna izolacija

Anodiranje aluminijastih sestavnih delov se kot učinkovito sredstvo za zaščito pred korozijo uporablja že od dvajsetih let prejšnjega stoletja. Z elektrokemično oksidacijo se anodizirana površina kemično spremeni, pri čemer nastane izjemno trda in proti obrabi odporna oksidna plast, ki deluje tudi kot električni izolator - vse to brez dodajanja dodatnih slojev.

Aluminijasto anodno oksidno plast je mogoče izdelati z enosmernim tokom v elektrolitski raztopini z aluminijastim predmetom, ki deluje kot anoda. To ustvari električno polje, ki povzroči sproščanje kisika na anodni površini, hkrati pa prepreči vstop vodikovih ionov s katodne strani celice, kar omogoči, da aluminij ustvari naravno trpežno prevleko iz aluminijevega oksida, ki jo je nato mogoče prilagoditi v pravilne porozne strukture.

S povečevanjem anodirne napetosti se povečuje tudi hitrost nastajanja por. Razlog za to je, da se pri višjih napetostih poveča jakost električnega polja, zato je hitrost gibanja ionov v bazi por hitrejša, kar vodi do pogojev, v katerih baza por zraste veliko bolj, kot je bilo pričakovano. Ta pojav je splošno znan kot beg.

Visoke napetosti, ki se uporabljajo med eloksiranjem, ne le pospešijo hitrost oksidacije, temveč lahko povzročijo tudi hidratacijo sten por, saj se ioni gibljejo v njihovi strukturi. Zato te stene običajno vsebujejo nekaj čistega aluminijevega oksida (Al2O3) skupaj z anioni iz raztopine elektrolita, vodo in majhnimi količinami nanokristalitov [7].

Aluminij, anodiziran v nekaterih kislih medijih, ustvari redno samoorganizirano strukturo por, ki omogoča učinkovito električno izolacijo, je navedeno v priročniku The Handbook of Chemistry and Physics 43rd Edition. Aluminij se ponaša z najvišjo dielektrično trdnostjo med naravno prisotnimi materiali.

Toplotna prevodnost

Zaradi povečanega povpraševanja po elektronskih napravah z visoko gostoto se je pojavila nujna potreba po inovativnih materialih za upravljanje toplote. Zato potekajo študije o ustvarjanju nanoalumina z izboljšanimi toplotnimi lastnostmi za uporabo kot materiala za tekoče toplotne vmesnike, polnilcev vrzeli ali premazov, kar je privedlo do številnih študij o njegovi izdelavi in uporabi pri uporabi kot materiala za tekoče toplotne vmesnike, polnilcev vrzeli ali premazov.

Pri anodizaciji nastane aluminijev oksid z različnimi fizikalnimi lastnostmi, vključno s toplotno prevodnostjo. Žal je merjenje njegove toplotne prevodnosti zaradi njegove odprte prostorske strukture lahko zahtevno; za natančno oceno merjenja toplotne prevodnosti anodizirane aluminijeve membrane je treba ločiti vzdolžne od prečnih pornih kanalov z uporabo fotoakustične tehnike ali tehnik modeliranja teorije učinkovitih medijev (EMT).

Postopek anodizacije se začne z električnim tokom na površino Al substrata skozi elektrolit, pri čemer nastane vrezana pokrajina, ki služi kot mesto za nastanek por v naslednjem koraku anodizacije. Slika 10 shematično prikazuje, kako so te pore, ki nastanejo med drugim korakom anodizacije, gosto zapolnjene z urejenimi kanali, ki potekajo naravnost in vzporedno vzdolž njihovih površin.

Premer por anodiziranega aluminijastega vzorca je mogoče nadzorovati s kemičnim jedkanjem, tako da se pore razširijo s kemičnim jedkanjem. Ta postopek običajno povzroči postopno raztapljanje oksidnih plasti, ki obdajajo kanal por, in tako omogoča nastavljiv premer kanala med 8 nm in 530 nm.

Toplotna prevodnost anodiziranega aluminijevega oksida ni odvisna le od premera por in vrste postopka, temveč tudi od morfologije substrata, ki se spreminja z mehansko, toplotno in kemično predobdelavo, ter zgodovine Al substrata, na primer od že obstoječih oksidnih plasti, ki spreminjajo samourejanje struktur por med dvostopenjskim postopkom anodizacije, zaradi česar so v literaturi navedene različne vrednosti toplotne prevodnosti.

Odpornost na vlago

Anodiranje poveča debelino naravne plasti aluminijevega oksida, ki se naravno tvori na aluminijastih delih, in ustvari debel, prožen in kemično inerten premaz, ki zdrži veliko dlje kot originalni deli, izpostavljeni težkim razmeram. Poleg tega anodizacija naredi materiale kemično odporne proti snovem, kot so oksidacijske kisline, ki bi neobdelan aluminij običajno razbarvale in razgradile; to pomeni, da ta obdelava kljub zahtevnim okoljem dlje ohranja materiale v brezhibnem stanju.

Anodizirani aluminij je mogoče tudi barvati v različnih barvah, da dobimo edinstvene zaključke, postopek barvanja pa izboljša tudi nekatere naravne lastnosti, kot je njegova emisivnost, zato je anodizirani aluminij idealen za radiatorje in toplotne izmenjevalnike.

Anodiranje je za razliko od celostnega barvnega anodiziranja tudi eden okolju prijaznejših postopkov dodelave kovin, saj ne uporablja kemikalij in ne proizvaja hlapnih organskih spojin (HOS). Poleg tega se za razliko od postopkov galvanizacije, pri katerih v iztoku nastajajo ioni težkih kovin ali halogeni, njihovi stranski proizvodi reciklirajo v izdelke, kot so alum, pecilni prašek, kozmetika in proizvodnja časopisnega papirja, ali pa se uporabljajo kot sistemi za čiščenje industrijskih odpadnih voda.

Raziskovalci so s pomočjo skenirnega elektronskega mikroskopa ugotovili, da je mogoče omočljivost anodnih poroznih filmov aluminijevega oksida (APA) spreminjati s spreminjanjem pogojev njihove sinteze. Njihova ekipa je ustvarila senzor vlage AAO z visoko intenzivnostjo signala, odzivnostjo in časom okrevanja z anodiranjem komercialne aluminijeve zlitine 1050 pri 20 V v oksalni kislini za enostopenjsko anodiranje pri 20 V namesto bolj tradicionalne dvostopenjske anodizacije pri 40 V - bistveno cenejši in hitrejši način izdelave za oblikovanje senzorja vlage AAO.

Raziskave so tudi pokazale, da je mogoče omočljivost filmov AAO dodatno izboljšati s spreminjanjem premera por. Dosežen je bil gradient, pri čemer se je omočljivost povečevala od obeh koncev proti sredini, pri čemer so se nastale vodne kapljice premikale po tem gradientu, preden so se naenkrat združile v eno veliko kapljico - ta metoda je lahko še posebej uporabna pri izdelavi mikrofluidnih naprav ali analitičnih čipov.