阳极氧化铝 - 保护金属部件免受腐蚀

铝阳极氧化用于保护金属部件免受腐蚀已有 90 多年的历史。电化学工艺改变了铝的表面化学成分，形成了一个具有多孔孔隙的致密阻挡层，从而最大限度地防止腐蚀。

研究表明，阳极氧化电压可控制孔基氧化物层内的离子迁移，从而实现快速、高效的电池/孔排序过程。

耐腐蚀性

阳极氧化铝通常具有抗腐蚀性；但是，与所有金属一样，如果出现划痕或凹痕，暴露在外的铝最终也会被腐蚀--这种现象通常被称为电化学腐蚀或湿安装。虽然电化学腐蚀或湿安装可能会给航空航天、海洋工程和结构工程等工业应用带来问题，因为这些应用的表面可能会经常被划伤或撞击，但如果采取了防划伤涂层等表面保护措施，腐蚀就不会构成那么大的威胁。

阳极氧化铝的耐腐蚀性取决于其形态和通过阳极氧化产生的氧化层的成分。阳极氧化产生的氧化层具有非常高的纵横比，由两个不同的层组成--上面是多孔的水合物，下面是惰性阻挡层；其渗透性取决于温度、电解质类型和阳极氧化过程中采用的程序。

为了了解如何改变阳极氧化层的形态以提高其耐腐蚀性，我们开展了相关研究。研究人员探索了不同的阳极氧化工艺，如硫酸阳极氧化（SAA）和自排序阳极氧化；与 CAA 相比，SAA 的工作电压和温度更高，可产生更厚、孔隙更多的阳极氧化层；还可对阳极氧化铝进行染色，以达到美观的目的，并使用干膜润滑剂、聚四氟乙烯或涂料进行润滑，以提高耐磨性和附着力。

从历史上看，增强阳极氧化铝耐腐蚀性的最佳方法之一是密封其孔隙结构。将阳极氧化铝浸入一种溶液中，这种溶液会与氧化层外表面和孔壁发生反应，形成玻镁石晶体，填充由此产生的缝隙，成为铝基材与环境之间的一道坚固屏障。

该方法已在各种密封溶液中进行了测试，测试时间长短不一，结果表明，随着阳极氧化铝在相应溶液中浸泡时间的延长，其腐蚀电流密度会降低，其中的离子浓度也会降低，从而达到最佳密封时间。

电气绝缘

对铝制部件进行阳极氧化处理是一种有效的防腐蚀手段，自 20 世纪 20 年代起就开始使用。通过电化学氧化，阳极氧化表面会发生化学变化，从而形成一层极其坚硬、耐磨的氧化层，同时还能起到电绝缘的作用，而这一切都无需在表面添加额外的涂层。

铝阳极氧化层可以在电解溶液中使用直流电产生，铝物体作为阳极。这将产生一个电场，诱导阳极表面释放氧气，同时阻止氢离子从电池阴极进入，从而使铝产生一层天然耐磨的氧化铝涂层，然后可将其定制为规则的多孔结构。

随着阳极氧化电压的增加，孔隙形成率也在增加。这是因为电压越高，电场强度越大，因此孔隙底部的离子移动速度越快，从而导致失控情况，即孔隙底部比预期的要大得多。这种现象通常被称为失控。

阳极氧化过程中使用的高电压不仅会加快氧化速度，还会使孔壁因离子在其结构内移动而水化。因此，这些孔壁通常含有一些纯氧化铝（Al2O3）以及来自电解质溶液的阴离子、水和少量纳米晶[7]。

根据《化学和物理学手册》第 43 版，在某些酸性介质中进行阳极氧化处理的铝会产生规则的自组织孔隙结构，从而形成有效的电绝缘。氧化铝是天然材料中介电强度最高的一种。

导热性

由于对高密度电子设备的需求不断增加，因此迫切需要创新的热管理材料。因此，人们正在研究如何制造热性能更强的纳米氧化铝，以用作液态热界面材料、间隙填充物或涂层，并对其在液态热界面材料、间隙填充物或涂层中的制造和应用进行了大量研究。

阳极氧化产生的氧化铝具有各种物理特性，包括导热性。遗憾的是，由于氧化铝膜具有开放的空间框架结构，因此测量其导热性具有挑战性；要准确评估阳极氧化铝膜的导热性，就必须使用光声技术或有效介质理论（EMT）建模技术来分离纵向和横向孔道。

阳极氧化工艺的第一步是通过电解液向铝基底表面施加电流，并产生凹陷景观，这是在随后的阳极氧化步骤中形成孔隙的位置。图 10 以示意图的形式描述了在第二个阳极氧化步骤中产生的这些孔是如何密集地排列在一起，并沿着其表面形成笔直而平行的有序通道。

阳极氧化铝模板的孔径可通过化学蚀刻来控制，即通过化学蚀刻扩大其孔径。这一过程通常会导致孔道周围的氧化层逐渐溶解，从而实现 8 纳米到 530 纳米之间的可调孔道直径。

阳极氧化铝的导热性不仅取决于其孔径和工艺类型，还取决于基底形态（经机械、热和化学预处理后会发生变化）以及铝基底的历史，例如在两步阳极氧化工艺中，预先存在的氧化层会改变孔隙结构的自排序，从而导致文献中报道的导热性值各不相同。

防潮性

阳极氧化可增加铝制部件上自然形成的天然氧化铝层的厚度，从而产生一层厚实、有弹性和化学惰性的涂层，其使用寿命远远超过暴露在恶劣条件下的原始部件。此外，阳极氧化还能使材料对氧化酸等物质产生化学抗性，而这些物质通常会使未经处理的铝褪色和降解；这意味着，尽管环境恶劣，这种处理方法仍能使材料更长久地保持原始状态。

阳极氧化铝还可以染成各种颜色，以产生独特的表面效果，同时染色工艺还能改善铝的某些天然属性，如辐射率，使阳极氧化铝成为散热器和热交换器的理想材料。

阳极氧化与整体彩色阳极氧化不同，它不使用化学品，也不产生挥发性有机化合物（VOC），因此也是目前较为环保的金属表面处理工艺之一。此外，阳极氧化与电镀工艺不同，电镀工艺的废水中会产生重金属离子或卤素，而阳极氧化的副产品可回收利用，制成明矾、发酵粉、化妆品和新闻纸等产品，或用作工业废水处理系统。

研究人员利用扫描电子显微镜发现，阳极多孔氧化铝（APA）薄膜的润湿性可以通过改变其合成条件来改变。他们的团队通过在草酸中以 20 V 的电压对商用 1050 铝合金进行一步阳极氧化，而不是传统的以 40 V 的电压进行两步阳极氧化的制造方法，制造出了具有高信号强度、高响应和高恢复时间的 AAO 湿度传感器--这种 AAO 湿度传感器的制造方法成本更低，速度更快。

研究还表明，通过改变孔径可以进一步提高 AAO 薄膜的润湿性。这种方法在制造微流体设备或分析芯片时可能会特别有用。