Анодний глинозем - захист металевих компонентів від корозії

Анодування алюмінію використовується вже понад 90 років для захисту металевих компонентів від корозії. Електрохімічний процес змінює хімічний склад поверхні алюмінію, утворюючи щільний бар'єрний шар з пористими порами для максимального захисту від корозії.

Дослідження показали, що анодна напруга може контролювати міграцію іонів в оксидному шарі пори-основа, забезпечуючи швидкі та ефективні процеси впорядкування комірок/пор.

Стійкість до корозії

Анодований алюміній, як правило, стійкий до корозії; однак, як і всі метали, він з часом піддається корозії, якщо подряпини або вм'ятини на ньому з'являються і оголюється алюміній - це явище широко відоме як гальванічна корозія або "мокрий монтаж". Хоча гальванічна корозія або мокрий монтаж можуть створювати проблеми для промислових застосувань, таких як аерокосмічна, морська та будівельна інженерія, де поверхні можуть часто дряпатися або мати вм'ятини, корозія не становить такої великої загрози, якщо вжити заходів захисту поверхні, наприклад, нанести покриття, що захищає від подряпин.

Корозійна стійкість анодного електрокорунду залежить як від його морфології, так і від складу оксидного шару, що утворюється при анодуванні. Анодування створює оксидний шар з дуже високим співвідношенням сторін, що складається з двох різних шарів - пористого гідрату зверху і інертного бар'єрного шару знизу; його проникність залежить від температури, типу електроліту і процедури, що застосовується під час анодування.

Були проведені дослідження, щоб зрозуміти, як можна змінити морфологію анодного оксидного шару для підвищення його корозійної стійкості. Були досліджені різні процеси анодування, такі як анодування сірчаною кислотою (SAA) і самоупорядковане анодування; SAA працює при більш високих напругах і температурах, ніж CAA, для отримання більш товстих анодних оксидних шарів з більш пористими порами; анодний глинозем також може бути пофарбований з естетичних міркувань і змащений сухими плівковими мастилами, тефлоном або фарбою для підвищення зносостійкості і адгезії.

Історично склалося так, що одним з найкращих способів підвищення корозійної стійкості анодованого алюмінію є герметизація його порової структури. Цього можна досягти шляхом занурення анодованого алюмінію в розчин, який реагує із зовнішньою поверхнею його оксидного шару і стінками пор, утворюючи кристали беміту, що заповнюють всі щілини, які утворюються, і діють як міцний бар'єр між алюмінієвою підкладкою і навколишнім середовищем.

Цей метод було випробувано в різних герметизуючих розчинах і протягом різної тривалості, і результати показали, що чим довше анодований алюміній занурювався у відповідний розчин, тим меншою ставала щільність його корозійного струму, а концентрація іонів у ньому зменшувалася, що призводило до скорочення оптимального часу герметизації.

Електрична ізоляція

Анодування алюмінієвих компонентів використовується з 1920-х років як ефективний засіб захисту від корозії. Завдяки електрохімічному окисленню анодована поверхня зазнає хімічних змін, що призводить до створення надзвичайно твердого і зносостійкого оксидного шару, який також діє як електричний ізолятор - і все це досягається без необхідності нанесення додаткових шарів.

Анодний шар оксиду алюмінію може бути отриманий за допомогою постійного струму в електролітичному розчині з алюмінієвим об'єктом, що діє як анод. Це створює електричне поле, яке індукує виділення кисню на поверхні анода, одночасно запобігаючи проникненню іонів водню з катодного боку елемента, що дозволяє алюмінію створювати природне зносостійке покриття з оксиду алюмінію, яке потім може бути налаштоване в звичайні пористі структури.

Зі збільшенням напруги анодування зростає і швидкість утворення пор. Це пов'язано з тим, що напруженість електричного поля збільшується при вищих напругах, а отже, швидкість руху іонів в основі пор зростає, що призводить до умов "вибігання", коли основа пор стає набагато більшою, ніж очікувалося. Це явище широко відоме як "втеча".

Висока напруга, що використовується під час анодування, не тільки прискорює швидкість окислення, але й може спричинити гідратацію стінок пор, оскільки іони рухаються в їхній структурі. Як результат, ці стінки зазвичай містять деяку кількість чистого глинозему (Al2O3) разом з аніонами з розчину електроліту, водою і невеликими кількостями нанокристалітів [7].

Алюміній, анодований у певних кислотних середовищах, утворює регулярну структуру пор, що самоорганізується, яка забезпечує ефективну електроізоляцію, згідно з 43-м виданням "Довідника з хімії та фізики" (The Handbook of Chemistry and Physics). Глинозем має найвищу діелектричну міцність серед природних матеріалів.

Теплопровідність

У зв'язку зі зростаючим попитом на електронні пристрої високої щільності виникла нагальна потреба в інноваційних матеріалах для терморегулювання. У зв'язку з цим проводяться дослідження зі створення наноглинозему з покращеними тепловими властивостями для використання в якості рідкого термоінтерфейсу, заповнювачів щілин або покриттів - що призвело до численних досліджень з його виготовлення та застосування в якості рідкого термоінтерфейсу, заповнювачів щілин або покриттів.

В результаті анодування отримують глинозем з різними фізичними властивостями, в тому числі теплопровідністю. На жаль, вимірювання його теплопровідності може бути складним через його відкриту просторово-каркасну структуру; для точного вимірювання теплопровідності анодованої алюмінієвої мембрани необхідно відокремити поздовжні канали пор від поперечних за допомогою фотоакустичного методу або методів моделювання теорії ефективного середовища (EMT).

Процес анодування починається з подачі електричного струму на поверхню алюмінієвої підкладки через електроліт і утворення на ній поглибленої поверхні, яка слугує місцем для формування пор під час наступного етапу анодування. На рисунку 10 схематично зображено, як ці пори, утворені під час другого етапу анодування, щільно упаковані впорядкованими каналами, що проходять прямо і паралельно вздовж їхньої поверхні.

Діаметр пор анодованого глиноземного шаблону можна контролювати за допомогою хімічного травлення, розширюючи його пори за допомогою хімічного травлення. Цей процес зазвичай призводить до поступового розчинення оксидних шарів, що оточують порові канали, і, таким чином, дозволяє регулювати діаметр каналу в діапазоні від 8 нм до 530 нм.

Теплопровідність анодованого глинозему залежить не тільки від діаметра пор і типу процесу, але також від морфології підкладки - зміненої механічною, термічною і хімічною попередньою обробкою - і історії алюмінієвої підкладки, наприклад, наявності попередніх оксидних шарів, які змінюють самоупорядкування порових структур під час двоступеневого процесу анодування, що призводить до різних значень теплопровідності, про які повідомляється в літературі.

Вологостійкість

Анодування збільшує товщину природного шару оксиду алюмінію, який природним чином утворюється на алюмінієвих деталях, створюючи товсте, міцне і хімічно інертне покриття, яке служить набагато довше, ніж оригінальні деталі, що піддаються впливу суворих умов. Крім того, анодування робить матеріали хімічно стійкими до таких речовин, як окислювальні кислоти, які зазвичай знебарвлюють і руйнують необроблений алюміній; це означає, що така обробка довше зберігає матеріали в первозданному стані, незважаючи на суворі умови навколишнього середовища.

Анодований алюміній також може бути пофарбований у різні кольори для отримання унікальної обробки, а процес фарбування також покращує деякі природні властивості, такі як його випромінювальна здатність, що робить анодований алюміній ідеальним для радіаторів і теплообмінників.

Анодування також є одним з найбільш екологічно чистих процесів обробки металу, на відміну від суцільного кольорового анодування, оскільки воно не використовує хімічні речовини і не виробляє летких органічних сполук (ЛОС). Крім того, на відміну від гальванічних процесів, які виробляють іони важких металів або галогенів у потоці стічних вод, побічні продукти переробляються у такі продукти, як галун, розпушувач, косметика і газетний папір, або використовуються як системи очищення промислових стічних вод.

За допомогою растрового електронного мікроскопа дослідники виявили, що змочуваність плівок анодного пористого глинозему (АПА) можна змінювати, змінюючи умови їх синтезу. Їх команда створила датчик вологості АПА з високою інтенсивністю сигналу, відгуком і часом відновлення шляхом анодування комерційного алюмінієвого сплаву 1050 при 20 В в щавлевій кислоті за допомогою одноступеневого анодування при 20 В замість більш традиційного двоступеневого анодування при 40 В - значно дешевшого і швидшого методу виготовлення датчика вологості з АПА.

Дослідження також показало, що змочуваність плівок ААО можна ще більше підвищити, змінюючи діаметр пор. Було досягнуто градієнт, при якому змочуваність зростала від обох кінців до центру, де краплі води, що утворювалися, рухалися вздовж цього градієнту, перш ніж злитися в одну велику краплю - цей метод може виявитися особливо корисним при виготовленні мікрофлюїдних пристроїв або аналітичних чіпів.