鋁陽極氧化：您需要了解的一切

鋁陽極氧化是將鋁或其合金工件置於適當的電解液中，其中鋁作為陽極，另一種金屬材料作為陰極。在施加電流的情況下，鋁表面會形成一層氧化膜。 

透過選擇不同類型和濃度的電解液，並控制氧化過程中的製程條件，可以獲得厚度從幾十微米到幾百微米不等、性能各異的陽極氧化膜。與化學氧化膜相比，這些氧化膜具有顯著提高的耐腐蝕性、耐磨性和裝飾性。

用於鋁及其合金陽極氧化的電解液是一種具有中等溶解能力的酸性溶液。在陽極氧化過程中，同時發生兩種反應。一方面，鋁工件作為陽極，與水解產生的氧原子發生電化學反應，形成氧化膜（Al₂O₃ ）_，如下圖所示：

H₂O _– 2e⁻ ^→ [O] + ^2H⁺

2Al + 3 [ O] _{→ Al₂O₃}

另一方面，電解液會不斷溶解新形成的Al₂O₃薄膜_，反應式為：

Al ₂ O ₃ + 6H ⁺ → 2Al ³⁺ + 3H ₂ O

氧化膜的生長是一個動態過程，其中氧化膜的形成和溶解不斷交替進行。只有當形成速率超過溶解速率時，才能形成較厚的氧化膜。鋁及其合金陽極氧化膜表面具有多孔蜂窩狀結構，由兩層組成。內層緊鄰基體，是一層緻密的Al₂O₃_膜，厚度為0.01–0.05 μm，通常被稱為阻擋層，具有很高的硬度。外層是由Al₂O₃和結晶水組成的多孔氧化膜_，硬度較低，但具有優異的吸附性能_。

鋁陽極氧化膜的特性

多孔陽極氧化膜中的微孔呈現規則排列，垂直於金屬表面，形成管狀結構。例如，在厚度為10 μm的硫酸陽極氧化膜中，孔徑通常小於20 nm，孔長是其直徑的500倍以上。這些孔隙形似細長的直管。孔隙密度可高達每平方公分76億個－指甲蓋大小的區域內的孔隙數量約為全球人口的十倍。

通常使用高解析度掃描電子顯微鏡直接觀察陽極氧化膜的多孔結構和形貌，從而從各個角度揭示薄膜的特徵。

鋁陽極氧化工藝

鋁及鋁合金陽極氧化的典型製程包括以下步驟：

表面整平 → 架壓 → 化學脫脂 → 沖洗 → 中和 → 沖洗 → 鹼蝕 → 沖洗 → 陽極氧化 → 沖洗 → 染色或電解著色 → 沖洗 → 密封 → 機械拋光 → 沖洗

這是一個標準流程，但具體步驟可根據要求和所採用的陽極氧化方法進行調整或省略。

表格：硫酸陽極氧化的關鍵參數

表格：化學氧化後處理規範

鋁陽極氧化膜的密封

由於陽極氧化膜具有多孔結構和強吸附性，其表面容易受到污染，尤其是腐蝕性介質，這些介質能夠滲入孔隙並導致腐蝕。因此，無論是否染色，陽極氧化膜形成後都需要進行密封處理，以封閉孔隙，從而提高耐腐蝕性、絕緣性和耐磨性，同時減少雜質或油污的吸附。常用的密封方法包括熱水密封、蒸氣密封、重鉻酸鹽密封、水解密封和填充密封。

（1）熱水密封

熱水封固是指將新形成的陽極氧化膜在沸水或接近沸水的溫度下處理特定時間。這會使氧化膜失活，防止染料進一步吸附，並穩定已塗覆的顏色。其原理基於非晶態Al₂O₃的水_合作用。

Al ₂ O ₃ + nH ₂ O → Al ₂ O ₃ · nH ₂ O

此處，n通常為 1 或 3。當 Al₂O₃_水合形成一水合物 (Al₂O₃ _· H₂O )_時，其體積增加約 33%。對於三水合物 (Al₂O₃ _· 3H₂O ₎ ，其體積幾乎翻倍。這種水合作用_會導致孔隙閉合，因為表面和孔壁上_{的Al₂O₃體積}膨脹。

熱水封口工藝

• 水溫：90–110°C
• pH值：6–7.5
• 時間：15-30分鐘

所使用的水必須是蒸餾水或去離子水，因為自來水會降低氧化膜的透明度和光澤。

（2）高溫蒸氣密封

高溫蒸氣密封的工作原理與熱水密封相同，都是利用水合作用使多孔膜因體積膨脹而閉合。其優點包括：

1. 與熱水密封相比，密封速度更快，效率更高。
2. 對水質和pH值的依賴性較低。
3. 減少了熱水密封中常見的白灰現象的發生。
4. 染料滲出或褪色的風險較低，因此適用於染色陽極氧化膜。

蒸汽密封的關鍵在於設備的設計和氣密性，以確保所需的溫度和濕度。溫度必須超過100°C，通常為115–120°C，蒸氣壓力控制在0.7–1 atm（1 atm = 10⁵ Pa）。必須避免表面凝結。根據化學動力學，溫度升高10°C可使反應速率提高約30%。然而，快速加熱（理想情況下在5分鐘內）和良好的隔熱至關重要，這需要精密的設備。蒸汽密封系統的高昂建造和運作成本限制了其廣泛應用。

（3）重鉻酸鹽密封

_重鉻酸鹽密封是在高溫下於強氧化性重鉻酸鉀溶液中進行的。孔壁上的 Al₂O₃ 與重鉻酸鉀 ( _{K₂Cr₂O₇ )}之間_的反應如下：

2Al ₂ O ₃ + 3K ₂ Cr ₂ O ₇ + 5H ₂ O → 2AlOHCrO ₄ + 2AlOHCr ₂ O ₇ + 6KOH

生成的鹼式鉻酸鋁、鹼式重鉻酸鋁和水合氧化鋁共同封閉了微孔。工藝細節如下：

處理後的氧化膜呈黃色，具有優異的耐腐蝕性，因此適用於保護性陽極氧化，但不適用於裝飾染色膜。

（4）水解密封

水解密封在中國應用廣泛，尤其適用於染色氧化膜的密封，因為它克服了熱水密封的許多缺點。此製程是將易水解的鈷鹽或鎳鹽吸附到氧化膜的孔隙中，這些鹽在孔隙中水解形成氫氧化物沉澱，從而密封孔隙。

Ni ₂ + 2H2O → Ni(OH) ₂ ↓ + 2H ⁺

Co ₂ + 2H ₂ O → Co(OH) ₂ ↓ + 2H ⁺

生成的鎳和鈷氫氧化物幾乎無色透明，可以密封孔隙，而不會影響薄膜的原始顏色，因此該方法非常適合染色薄膜。

（5）灌裝密封

除了上述方法外，陽極氧化膜還可以使用有機材料進行密封，例如透明清漆、熔融石蠟、樹脂或乾性油。例如，矽油可增強硬質陽極氧化膜的絕緣性，矽脂可形成無塵表面，脂肪酸或耐高溫油脂可用於紅外線反射器，以防止4～6 μm波長範圍內的吸收損失。針對特定應用，人們已經開發出各種有機密封劑。