铝的表面处理-铝阳极氧化及其应用
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亮基本金属表面
2020/8/6
阳极氧化处理
• 以铝及其合金作为阳极 ，选择合适的电解液、 阳极化温度、电流密度 和氧化时间进行阳极氧 化，从而得到所需的氧 化铝膜
2020/8/6
染色处理
• 一般阳极氧化膜的孔隙直 径为0.01-0.03μm，而染料在 水中分离成单分子，直径 为0.0015-0.0030μm，着 色 时 染料被吸附在孔隙表面上 并向孔内扩散、堆积
2020/8/6
KHR模型[7]
电子显微镜
观构 察想
特例 现象
• 六边形膜胞 • 星形中心孔 • 膜胞沿着垂直铝基体
表面的垂直电场方向 生长
2020/8/6 7. Loomans M , et al. [ J ] . Journal of Elect ronic Material ,1994 ,23 (8) :741
• 染料与氧化铝进行离子键 、氢键结合而使膜层着色 ，经封孔处理，染料被固 定在孔隙内。
2020/8/6
封孔处理
• 提高铝件质量和染着色牢 固。
• 经过封闭处理后表面变的 均匀无孔，形成致密的氧 化膜。
• 经封闭后的氧化膜不再具 有吸附性，可避免吸附有 害物质而被污染或早期腐 蚀。
2020/8/6
• 光电材料[3]
– 微孔中沉积荧光物质
• 磁记录材料[4]
– 微孔中沉积Fe 、Co 等磁性金属,高度垂直磁性记录介体
• 湿度传感器[5]
– 阳极氧化膜所吸附的水分不同,其电阻会改变
• 催化剂载体[6]
– 大比表面积，有序孔结构
2.Saito M , Kirihara M , Searson P C , et al. [J ] . Appl.Phys Lett , 1989 , 55 (7) : 607. 3.水木一成等. 金属表面技术,1987 ,38 (12) :561～563
KHR修正模型[8]
高倍透射电镜 观修 察正
广泛 接受
• 圆形中心孔 • 指出AAO结构取决于
氧化电压、电解液、 温度等相关参数
2020/8/6 8. O’Sullivan J P , Wood G C. [J ] . Proc R Soc London , 1970 ,A(317) : 511
微孔 结构
电流密度增大 局部升温
圆形膜孔 六方膜胞
自ຫໍສະໝຸດ Baidu织原理
202101/.8/J6 essensky O , Muller F , Gosele U. [ J ] . Appl. Phys. Lett. , 1998 , 72 (10) : 1173
阳极氧化应用实例[12]
• 装饰材料的制备过程：
表面 处理
2020/8/6
生长 机理
阳极氧化膜的生长机理
• 电场支持下的溶解模型 • 临界电流密度模型 • 体膨胀应力模型
2020/8/6
电场支持下的溶解模型[9]
• 该模型认为：在酸性电解溶液中，铝的阳极化 过程包括阻挡层形成、阻挡层溶解和多孔层稳 定生长3 个阶段。
电 流 密 度
时间
恒压阳极氧化时电流密度－时间变化曲线
2020/8/6 9. 肖克来提. 无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究[D] . 中国科学院博士优秀论文,1999.
临界电流密度模型 [10]
• 观点：对于特定浓度与温度的电解液,阳极氧化过程总存在 一个临界电流密度J c，该临界值决定了氧化膜的类型。
致密型; 无Al3 +损失
致密型;部 分Al3 +损失
铝的表面处理-铝阳极氧化及 其应用
阳极 氧化
概述 应用
2020/8/6
定义 原理
膜微孔 结构
膜生长 原理
实例 详解
概述
• 铝阳极氧化技术是用铝金属制件作阳极,在电解作 用下铝金属制件表面形成氧化物薄膜的过程。
• 初期应用
–表面改性——耐磨性、耐蚀性、电气绝缘性,表面色泽美 观。
• 近期应用
–精密分离膜：耐热、可调孔径、规整 – AAO模板：制作纳米功能材料
2020/8/6
初期应用 [1]
建筑装饰材 料
2020/8/6
耐磨耐腐蚀 材料
电绝缘材料
新方向：AAO模板
溶解
？
纳米孔径 可调
高度有序 结构
精密分离膜
2020/8/6
功能材料
功能材料
• 偏光器件[2]
– 微孔中沉积Ni，光照射到膜表面时, 会产生与孔垂直方向的光(H 偏光) 和与孔平行方向的光(V 偏光) ，二者光衰减常数不同。
总结
表面 改性
功能 材料
缺陷 斑点
微孔结构 生长机理
2020/8/6
参考文献
1. 朱祖芳.铝阳极氧化的应用.电镀与涂饰. 1999，18 ( 1)：40 2. Saito M , Kirihara M , Searson P C , et al. [J ] . Appl.Phys Lett , 1989 , 55 (7) : 607. 3. 水木一成等. 金属表面技术,1987 ,38 (12) :561～563 4. Chiena C L , Sun L. [J ] . J Magn Magn Mater , 2002 ,249 : 146-155. 5. Davydov D N , Sattari P A , Osika A , et al. [J ] . J Appl.Phys , 1999 , 86
致密型;全 部Al3 +损失
2020/180/.6Xu Y, Thompson G E , Wood G C. [J ] . Trans Inst Met Finish , 1985 , 63 : 69
多孔型； 膜被侵蚀
体膨胀应力模型[11]
形成 氧化铝
产生 裂纹
裂纹 合拢
反复裂纹、 合拢
六方排列能量最低 圆孔表面积最小
铝阳极氧化的一般原理
• 阳极：铝或铝合金制品 阴极：在电解溶液中化学稳定性 高的材料
• 铝阳极氧化的原理实质上就是水 电解的原理。 – 在阴极上 – 在阳极上
2020/8/6
阳极氧化膜的微观结构
• 阳极氧化膜分类
– 阻挡型氧化膜 – 多孔型氧化膜
• KHR模型 • KHR修正模型 • 三层结构模型
4.Chien2a0C2L0,/S8u/n6L. [J ] . J Magn Magn Mater , 2002 ,249 : 146-155.
5.Davydov D N , Sattari P A , Osika A , et al. [J ] . J Appl.Phys , 1999 , 86 (7) : 398323987. 6.Patermarakis1 G, Nicolopoulos N. [J ] . J Catal , 1999 ,187 : 3112320.
2020/8/612. 中国阳极氧化与染色网 http://www.aludye.com/home1.htm
表面处理
• 铝材及制品的表面上都会不同程度地存在着 污垢和缺陷。
• 处理过程包括：
– 脱脂 ：除去表面油污赃物 – 碱蚀 ：进一步清理表面附着的油污赃物；清除制
品表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤 – 中和:用酸清洗,除去挂灰和残留碱液，以露出光
2020/8/6
阳极氧化处理
• 以铝及其合金作为阳极 ，选择合适的电解液、 阳极化温度、电流密度 和氧化时间进行阳极氧 化，从而得到所需的氧 化铝膜
2020/8/6
染色处理
• 一般阳极氧化膜的孔隙直 径为0.01-0.03μm，而染料在 水中分离成单分子，直径 为0.0015-0.0030μm，着 色 时 染料被吸附在孔隙表面上 并向孔内扩散、堆积
2020/8/6
KHR模型[7]
电子显微镜
观构 察想
特例 现象
• 六边形膜胞 • 星形中心孔 • 膜胞沿着垂直铝基体
表面的垂直电场方向 生长
2020/8/6 7. Loomans M , et al. [ J ] . Journal of Elect ronic Material ,1994 ,23 (8) :741
• 染料与氧化铝进行离子键 、氢键结合而使膜层着色 ，经封孔处理，染料被固 定在孔隙内。
2020/8/6
封孔处理
• 提高铝件质量和染着色牢 固。
• 经过封闭处理后表面变的 均匀无孔，形成致密的氧 化膜。
• 经封闭后的氧化膜不再具 有吸附性，可避免吸附有 害物质而被污染或早期腐 蚀。
2020/8/6
• 光电材料[3]
– 微孔中沉积荧光物质
• 磁记录材料[4]
– 微孔中沉积Fe 、Co 等磁性金属,高度垂直磁性记录介体
• 湿度传感器[5]
– 阳极氧化膜所吸附的水分不同,其电阻会改变
• 催化剂载体[6]
– 大比表面积，有序孔结构
2.Saito M , Kirihara M , Searson P C , et al. [J ] . Appl.Phys Lett , 1989 , 55 (7) : 607. 3.水木一成等. 金属表面技术,1987 ,38 (12) :561～563
KHR修正模型[8]
高倍透射电镜 观修 察正
广泛 接受
• 圆形中心孔 • 指出AAO结构取决于
氧化电压、电解液、 温度等相关参数
2020/8/6 8. O’Sullivan J P , Wood G C. [J ] . Proc R Soc London , 1970 ,A(317) : 511
微孔 结构
电流密度增大 局部升温
圆形膜孔 六方膜胞
自ຫໍສະໝຸດ Baidu织原理
202101/.8/J6 essensky O , Muller F , Gosele U. [ J ] . Appl. Phys. Lett. , 1998 , 72 (10) : 1173
阳极氧化应用实例[12]
• 装饰材料的制备过程：
表面 处理
2020/8/6
生长 机理
阳极氧化膜的生长机理
• 电场支持下的溶解模型 • 临界电流密度模型 • 体膨胀应力模型
2020/8/6
电场支持下的溶解模型[9]
• 该模型认为：在酸性电解溶液中，铝的阳极化 过程包括阻挡层形成、阻挡层溶解和多孔层稳 定生长3 个阶段。
电 流 密 度
时间
恒压阳极氧化时电流密度－时间变化曲线
2020/8/6 9. 肖克来提. 无铅焊料表面贴装焊点的高温可靠性研究[D] . 中国科学院博士优秀论文,1999.
临界电流密度模型 [10]
• 观点：对于特定浓度与温度的电解液,阳极氧化过程总存在 一个临界电流密度J c，该临界值决定了氧化膜的类型。
致密型; 无Al3 +损失
致密型;部 分Al3 +损失
铝的表面处理-铝阳极氧化及 其应用
阳极 氧化
概述 应用
2020/8/6
定义 原理
膜微孔 结构
膜生长 原理
实例 详解
概述
• 铝阳极氧化技术是用铝金属制件作阳极,在电解作 用下铝金属制件表面形成氧化物薄膜的过程。
• 初期应用
–表面改性——耐磨性、耐蚀性、电气绝缘性,表面色泽美 观。
• 近期应用
–精密分离膜：耐热、可调孔径、规整 – AAO模板：制作纳米功能材料
2020/8/6
初期应用 [1]
建筑装饰材 料
2020/8/6
耐磨耐腐蚀 材料
电绝缘材料
新方向：AAO模板
溶解
？
纳米孔径 可调
高度有序 结构
精密分离膜
2020/8/6
功能材料
功能材料
• 偏光器件[2]
– 微孔中沉积Ni，光照射到膜表面时, 会产生与孔垂直方向的光(H 偏光) 和与孔平行方向的光(V 偏光) ，二者光衰减常数不同。
总结
表面 改性
功能 材料
缺陷 斑点
微孔结构 生长机理
2020/8/6
参考文献
1. 朱祖芳.铝阳极氧化的应用.电镀与涂饰. 1999，18 ( 1)：40 2. Saito M , Kirihara M , Searson P C , et al. [J ] . Appl.Phys Lett , 1989 , 55 (7) : 607. 3. 水木一成等. 金属表面技术,1987 ,38 (12) :561～563 4. Chiena C L , Sun L. [J ] . J Magn Magn Mater , 2002 ,249 : 146-155. 5. Davydov D N , Sattari P A , Osika A , et al. [J ] . J Appl.Phys , 1999 , 86
致密型;全 部Al3 +损失
2020/180/.6Xu Y, Thompson G E , Wood G C. [J ] . Trans Inst Met Finish , 1985 , 63 : 69
多孔型； 膜被侵蚀
体膨胀应力模型[11]
形成 氧化铝
产生 裂纹
裂纹 合拢
反复裂纹、 合拢
六方排列能量最低 圆孔表面积最小
铝阳极氧化的一般原理
• 阳极：铝或铝合金制品 阴极：在电解溶液中化学稳定性 高的材料
• 铝阳极氧化的原理实质上就是水 电解的原理。 – 在阴极上 – 在阳极上
2020/8/6
阳极氧化膜的微观结构
• 阳极氧化膜分类
– 阻挡型氧化膜 – 多孔型氧化膜
• KHR模型 • KHR修正模型 • 三层结构模型
4.Chien2a0C2L0,/S8u/n6L. [J ] . J Magn Magn Mater , 2002 ,249 : 146-155.
5.Davydov D N , Sattari P A , Osika A , et al. [J ] . J Appl.Phys , 1999 , 86 (7) : 398323987. 6.Patermarakis1 G, Nicolopoulos N. [J ] . J Catal , 1999 ,187 : 3112320.
2020/8/612. 中国阳极氧化与染色网 http://www.aludye.com/home1.htm
表面处理
• 铝材及制品的表面上都会不同程度地存在着 污垢和缺陷。
• 处理过程包括：
– 脱脂 ：除去表面油污赃物 – 碱蚀 ：进一步清理表面附着的油污赃物；清除制
品表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤 – 中和:用酸清洗,除去挂灰和残留碱液，以露出光