Anodisk aluminiumoxid – skyddar metallkomponenter mot korrosion

Anodisering av aluminium har använts i över 90 år för att skydda metallkomponenter mot korrosion. Den elektrokemiska processen förändrar aluminiumets ytkemi så att ett tätt barriärskikt med porer bildas, vilket ger maximalt korrosionsskydd.

Studier har visat att anodiseringsspänningen kan styra jonernas rörelse inom ett porbaserat oxidskikt, vilket möjliggör snabba och effektiva processer för ordning av celler och porer.

Motståndskraft mot korrosion

Anodiserat aluminium är i regel korrosionsbeständigt; precis som alla metaller kommer det dock så småningom att korrodera om det repas eller får bucklor och det underliggande aluminiumet blottas – detta fenomen kallas vanligtvis galvanisk korrosion eller ”wet install”. Även om galvanisk korrosion eller ”wet install” kan utgöra problem för industriella tillämpningar såsom flyg- och rymdindustrin, sjöfartsteknik och byggnadsteknik, där ytorna ofta kan repas eller få bucklor, utgör korrosion inte ett lika stort hot när ytskyddsåtgärder, såsom reptålig beläggning, finns på plats.

Korrosionsbeständigheten hos anodiserad aluminiumoxid beror både på dess morfologi och på sammansättningen av det oxidskikt som bildas genom anodiseringen. Anodiseringen skapar ett oxidskikt med ett mycket högt bildförhållande, bestående av två distinkta skikt – ett poröst hydratskikt överst och ett inert barriärskikt underst; dess permeabilitet beror på temperaturen, typen av elektrolyt och den metod som används vid anodiseringen.

Studier har genomförts för att förstå hur morfologin hos ett anodiskt oxidskikt kan förändras för att öka dess korrosionsbeständighet. Olika anodiseringsprocesser har undersökts, såsom svavelsyraanodisering (SAA) och självorganiserande anodisering; SAA sker vid högre spänningar och temperaturer än CAA för att producera tjockare anodiska oxidskikt med porösare struktur; anodiserad aluminiumoxid kan också färgas av estetiska skäl och smörjas med torrfilmsmörjmedel, teflon eller färg för ökad slitstyrka och vidhäftning.

Historiskt sett har ett av de bästa sätten att förbättra korrosionsbeständigheten hos anodiserat aluminium varit att täta dess porstruktur. Detta kan åstadkommas genom att man nedsänker det anodiserade aluminiumet i en lösning som reagerar med den yttre ytan av oxidskiktet och porväggarna, varvid det bildas boehmitkristaller som fyller eventuella uppkomna mellanrum och fungerar som en fast barriär mellan aluminiumsubstratet och omgivningen.

Denna metod har testats i olika tätningslösningar och under olika tidsperioder, och resultaten visade att ju längre det anodiserade aluminiumet nedsänktes i respektive lösning, desto lägre blev dess korrosionsströmtäthet och desto lägre blev jonkoncentrationen i lösningen, vilket förkortade de optimala tätningstiderna.

Elektrisk isolering

Anodisering av aluminiumkomponenter har använts sedan 1920-talet som ett effektivt sätt att skydda dem mot korrosion. Genom elektrokemisk oxidation genomgår en anodiserad yta en kemisk förändring som resulterar i bildandet av ett extremt hårt och slitstarkt oxidskikt som även fungerar som en elektrisk isolator – allt detta uppnås utan att ytterligare skikt behöver läggas till.

Ett anodiskt aluminiumoxidskikt kan framställas med hjälp av likström i en elektrolytlösning, där ett aluminiumföremål fungerar som anod. Detta skapar ett elektriskt fält som inducerar syreavgivning vid anodytan samtidigt som det förhindrar att vätejoner tränger in från cellens katodsida, vilket gör att aluminiumet bildar en naturligt slitstark aluminiumoxidbeläggning som sedan kan anpassas till regelbundna porösa strukturer.

När anodiseringsspänningen ökar, ökar även porbildningshastigheten. Detta beror på att den elektriska fältstyrkan ökar vid högre spänningar, vilket gör att jonernas rörelsehastighet blir snabbare i porbotten. Detta leder till så kallade ”runaway”-förhållanden, där porbotten växer sig mycket större än förväntat. Detta fenomen kallas vanligen för ”runaway”.

De höga spänningarna som används vid anodisering påskyndar inte bara oxidationshastigheten, utan kan också leda till att porväggarna hydratiseras när joner rör sig inuti deras struktur. Som en följd av detta innehåller dessa väggar vanligtvis en viss mängd ren aluminiumoxid (Al₂O₃) tillsammans med anjoner från elektrolytlösningen, vatten och små mängder nanokristalliter [7].

Enligt ”The Handbook of Chemistry and Physics”, 43:e upplagan, bildar anodiserat aluminium i vissa sura miljöer en regelbunden, självorganiserande porstruktur som ger effektiv elektrisk isolering. Aluminiumoxid har den högsta dielektriska hållfastheten bland naturligt förekommande material.

Värmeledningsförmåga

På grund av den ökade efterfrågan på elektroniska enheter med hög packningsgrad har det uppstått ett akut behov av innovativa material för värmehantering. Därför pågår forskning för att ta fram nanoaluminiumoxid med förbättrade termiska egenskaper för användning som flytande värmeledande gränssnittsmaterial, spaltfyllnadsmedel eller beläggningar – vilket har lett till ett stort antal studier om dess tillverkning och tillämpning inom dessa områden.

Anodisering ger upphov till aluminiumoxid med olika fysikaliska egenskaper, däribland värmeledningsförmåga. Tyvärr kan det vara svårt att mäta dess värmeledningsförmåga på grund av dess öppna rumsramstruktur; för att noggrant kunna bedöma värmeledningsförmågan hos ett anodiserat aluminiumoxidmembran är det nödvändigt att skilja mellan de längsgående och tvärgående porkanalerna med hjälp av fotoakustisk teknik eller modelleringsmetoder baserade på teorin om effektiva medier (EMT).

En anodiseringsprocess inleds genom att en elektrisk ström tillförs ytan på ett aluminiumunderlag via en elektrolyt, vilket ger upphov till en ojämn yta som fungerar som utgångspunkt för porbildning under ett efterföljande anodiseringssteg. Figur 10 visar schematiskt hur dessa porer, som bildas under detta andra anodiseringssteg, är tätt packade med ordnade kanaler som löper rakt och parallellt längs deras ytor.

Pordiametern hos en mall av anodiserad aluminiumoxid kan regleras genom kemisk etsning, vilket innebär att porerna vidgas. Denna process leder vanligtvis till en gradvis upplösning av oxidskikten som omger porkanalen, vilket gör det möjligt att uppnå en justerbar kanaldiameter på mellan 8 nm och 530 nm.

Värmeledningsförmågan hos anodiserad aluminiumoxid beror inte bara på porernas diameter och processtyp, utan även på substratets morfologi – som påverkas av mekaniska, termiska och kemiska förbehandlingar – samt på aluminiumunderlagets tidigare historia, till exempel förekomsten av redan befintliga oxidskikt som påverkar porstrukturernas självordning under den tvåstegsanodiseringsprocessen, vilket resulterar i de olika värden för värmeledningsförmåga som rapporterats i litteraturen.

Fuktbeständighet

Anodisering ökar tjockleken på det naturliga aluminiumoxidskikt som bildas spontant på aluminiumdelar, vilket ger en tjock, slitstark och kemiskt inert ytbeläggning som håller betydligt längre än originaldelar som utsätts för tuffa förhållanden. Dessutom gör anodiseringen materialen kemiskt resistenta mot ämnen som oxiderande syror, vilka normalt skulle missfärga och bryta ned obehandlat aluminium; vilket innebär att denna behandling håller materialen i nyskick längre trots tuffa miljöer.

Anodiserat aluminium kan dessutom färgas i en rad olika färger för att skapa unika ytbehandlingar, samtidigt som färgningsprocessen förbättrar vissa naturliga egenskaper, såsom dess emissivitet – vilket gör anodiserat aluminium idealiskt för radiatorer och värmeväxlare.

Anodisering är dessutom en av de mer miljövänliga metallbehandlingsmetoderna som finns, till skillnad från integrerad färganodisering, eftersom den inte använder kemikalier och inte ger upphov till flyktiga organiska föreningar (VOC). Dessutom, till skillnad från galvaniseringsprocesser som producerar tungmetalljoner eller halogener i sitt avloppsvatten, återvinns biprodukterna istället till produkter som alun, bakpulver, kosmetika och tillverkning av tidningspapper eller används i industriella avloppsreningssystem.

Forskarna upptäckte med hjälp av ett svepelektronmikroskop att vätbarheten hos filmer av anodiserad porös aluminiumoxid (APA) kunde ändras genom att justera syntesförhållandena. Deras team skapade en AAO-fuktighetssensor med hög signalintensitet, respons och återhämtningstid genom att anodisera kommersiell 1050-aluminiumlegering vid 20 V i oxalsyra i en enstegsanodisering vid 20 V, istället för den mer traditionella tillverkningsmetoden med tvåstegsanodisering vid 40 V – en betydligt billigare och snabbare tillverkningsmetod för framställning av AAO-fuktgivare.

Forskningen visade också att AAO-filmernas vätbarhet kan förbättras ytterligare genom att ändra porernas diameter. Man uppnådde en gradient där vätbarheten ökade från båda ändarna mot mitten, och där vattendropparna som bildades rörde sig längs denna gradient innan de plötsligt smälte samman till en enda stor droppe – denna metod kan visa sig vara särskilt användbar vid tillverkning av mikrofluidiska enheter eller analyschips.