铝的阳极氧化与表面着色-华师

铝的阳极氧化与表面着色

学生姓名：梁炫錤学号：20142401044

专业：化学师范年级班级：2014级化教1班

课程名称：物理化学实验小组成员：曾婉华陈史玲

实验指导老师：李国良实验时间：2017年4月27日

一、前言

1、实验背景

金属的表面与周围的介质发生化学作用或电化学作用，因而使金属受到损坏的现象，通常称为金属的腐蚀。金属的腐蚀每年都给我们造成巨大的损失。防止金属腐蚀的方法之一是在金属表面形成氧化膜保护层。不少金属存在着天然的氧化膜,但它们多数起不到保护层的作用。

铝及铝合金具有密度小，比强度高，导电和导热性好，成型容易，无低温脆性等优点，是一种综合性能优良的轻金属材料。目前，铝材在航空航天工业及建筑材料、交通工具、电子产品等领域中得到了广泛的应用。铝对氧的化学亲和力特别强，在大气中其表面总是被一层透明的氧化膜所覆盖，但是天然的铝氧化膜极薄，只有4x10-3-5x10-3μm，且孔隙率大，机械强度低，抗蚀和耐磨性都不能满足防腐蚀的需要。

利用电化学方法，可使铝（或铝的合金）表面生成致密的优质氧化膜，且膜较厚，其厚度可达几十至几百微米，能有效地提高铝的耐腐蚀性。这种使铝表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。另外，由于所形成的氧化膜存在均匀的孔隙，还可以用有机染料进行染色，经封密后色泽稳定，使铝材的应用更加广泛。

2、实验要求

1）学习铝（或铝合金）的阳极氧化工艺，了解对金属表面处理的一般方法；2）通过对阳极氧化原理的学习，自己设计实验方案，了解和探讨铝在阳极氧化过程中，影响氧化膜厚度和性能的各种因素；

3）对氧化膜的质量评价，包括绝缘性、耐腐蚀性、氧化膜厚度等。

2

2H

2e H

+

-+→↑

3Al 3e Al -+

-→3232Al(OH)Al O 3H O

→+2. 实验部分

2.1 实验原理 2.1.1铝阳极氧化原理

（1）将铝制品作阳极，以硫酸、铬酸、磷酸、草酸等为电解液进行阳极氧化，

可形成较厚的氧化膜，膜的主要成分是Al 2O 3，其反应历程比较复杂。现在以 Al 为阳极，Pb 为阴极， H 2SO 4 溶液为电解质介绍其反应原理。电解时的电极反应为： 阴极： 阳极：

(氧化膜形成 ) 阳极上的Al 被氧化，且在表面上形成一层氧化铝薄膜的同时，由于阳极反应生成的 H+ 和电解质H2SO4 中的H+ 都能使所形成的氧化膜发生溶解：

3232Al O 6H Al 3H O +++→+

在硫酸电解液中阳极氧化，作为阳极的铝制品，在阳极化初始的短暂时间内，其表面受到均匀氧化，生成极薄而又非常致密的膜，由于硫酸溶液的作用，膜的最弱点（如晶界，杂质密集点，晶格缺陷或结构变形处）发生局部溶解，而出现大量孔隙，即原生氧化中心，使基体金属能与进入孔隙的电解液接触，电流也因此得以继续传导，新生成的氧离子则用来氧化新的金属，并以孔底为中心而展开，最后汇合，在旧膜与金属之间形成一层新膜，使得局部溶解的旧膜如同得到“修补”似的。随着氧化时间的延长，膜的不断溶解或修补，氧化反应得以向纵深发展，从而使制品表面生成又薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。其内层（阻挡层、介电层、活性层）厚度至氧化结束基本都不变，位置却不断向深处推移；在一定的氧化时间内随时间而增厚。阳极氧化膜的生长是在膜的生成和溶解这一矛盾过程中发生和发展的。

要使Al 2O 3氧化膜顺利形成，并达到一定厚度，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，这要通过控制一定的氧化条件来实现。如果是在强酸的电解液中，阳极上的金属离子不断地从金属本体溶解，根本不能形成氧化膜；若在弱酸中，阳极产物在电解液中不溶解，则氧化膜很快形成并覆盖金属，电阻增大，使电化学反应不能正常进行。因此，要严格控制硫酸的浓度。

323Al 3H O Al(OH)3H ++

+→+

铝的阳极氧化和着色工艺要求形成的膜既有一定厚度，又要在膜上有均匀的孔隙，以保证电流的通过及将来着色。这是一个既有膜的生长又伴随有膜的溶解的电极过程。由于膜的不断生长与加厚，致使电阻不断增加，从而使膜的生长速率渐缓，此时膜的形成速率与膜的溶解速率达到动态平衡，膜的厚度就不会变化了。

实践表明,影响氧化膜厚度和性能的主要因素包括：

a）电解液的浓度

硫酸的浓度高，膜的溶解速率快，膜层薄，防护性能下降，但膜的孔隙率高，便于着色。硫酸的浓度低时则和上述相反。可以通过实验来探讨确定适宜的电解质浓度，兼顾防护和着色。实际生产中一般硫酸浓度为：200-250 g/L。

b）阳极电流密度

较高的电流密度虽有利于膜厚度的增加，但容易造成铝片表面过热而使氧化膜疏松。可以通过实验来选择适宜的电流密度。实际生产中150-200 A/m2。

c）电解槽温度

槽温过高，会加速氧化氧化膜的溶解；温度过低，膜层发脆，氧化耗时。应结合电流密度来选择适宜的槽温。

d）氧化时间

由于阳极上同时存在膜的形成和溶解两个过程，所以膜不会无限地增厚，铝的阳极氧化膜一般不会超过35 微米。膜的厚度与氧化时间的经验关系式要视具体的工艺条件来确定，如当硫酸的浓度为200 g/L、电流密度为1 A/cm2、槽温在

15-20℃时，膜厚与氧化时间的经验关系为：膜厚/μm＝0.28×时间／min。要注意，当工艺条件改变时，此关系式也会有所变化。

e）添加剂与杂质的影响

目前已知甘油、硫酸铵等可控制膜的弹性；铬酸盐、胶体等可提高膜的均匀性；适量Al3+对膜形成有利，过量Al3+会使膜变薄；杂质Cl-会使膜产生腐蚀砂眼等等。搅拌、电流波形等外界条件也会对氧化膜的性质、外观等产生影响。

2.1.2铝氧化膜的封闭处理

氧化膜的表面是多孔的（约为每平方厘米７～９亿个），在这些孔隙中可吸附染料，也可吸附结晶水。由于吸附性强，如不及时处理，也可能吸附杂质而被污染，所以要及时进行填充处理，从而提高多孔膜的强度等性能。