铝的阳极氧化和着色 电流密度对氧化膜性能的影响(华师物化设计性试验报告)

铝的阳极氧化和着色

——电流密度对氧化膜性能的影响

指导老师：孙艳辉

**** …… *** 小组成员：*** ***

摘 要：铝的阳极氧化膜性能受到诸多因素的影响，主要包括电流密度、硫酸浓度、氧化时间、添加剂等。本文主要探讨了其它因素选择文献最优值的情况下，电流密度对铝的阳极氧化的影响。

关键词：铝 阳极氧化 氧化膜 电流密度

Abstract：Anodic aluminum oxide film properties affected by many factors, including current density, sulfuric acid concentration, oxidation time, additives and other factors. This paper discusses the literature of other factors that select the optimal value of the case, the current density on anodic oxidation of aluminum. Keywords：Aluminum Anodizing Oxide film Current density

1 研究进展

铝在空气中可自然形成一层氧化膜，起到一定的防护作用，但这种在空气中自然形成的膜性能并不足以真正地保护铝基体。因而人们研究了各类方法以制得性能优良的氧化膜，阳极氧化法是其中最为常用的一种。阳极氧化膜不仅具有良好的力学性能、很高的耐蚀性，同时还具有较强的吸附性，可对其进行着色处理获得诱人的装饰外观。

铝的阳极氧化，是指在一定的电解液中，以铝为阳极进行电解，从而使其表面形成氧化物薄膜的过秳。通过铝阳极氧化法可以在铝表面上获得足够厚的氧化膜，且膜层具有硬度高、绝缘性好、耐蚀性强、吸附能力强等特点。它被广泛应用于建筑、航空、军事等领域。

铝阳极氧化的方法可以根据是电解液的不同分为硫酸法、草酸法、铬酸法、磷酸法、有机酸法和混合酸法等。阳极氧化使用的电源从开始时的直流电，发展到交流电、交直流叠加、方波脉冲电源等。用硫酸配电解液直流电进行阳极氧化，是最为经典的方法，此法具有工艺简单、溶液稳定、操作简便和成本低等优点。硫酸具有强导电性，所以氧化时所需的电压低，而且它对新生成的氧化膜有较强的溶解作用，不宜长时间通电，通电10-15min即可获得厚度为5-20μm的氧化膜，膜的硬度

物化设计性试验报告——铝的阳极氧化与表面着色

高、孔隙多、吸附力强、易着色，将孔隙封闭后有较高的抗蚀能力。

用硫酸配电解液直流电进行阳极氧化时，铝的阳极氧化膜性能受到诸多因素的影响，主要包括电流密度、硫酸浓度、氧化时间、添加剂等。铝在阳极氧化时，电流密度对氧化膜的生长关系很大：在相同条件下，一定范围内提高电流密度，有利于氧化膜的生长，其膜厚随电流密度的增大而增大；提高电流密度有利于氧化膜的生长，但电流密度增大的同时，电流效率下降，微孔内的热效应加大，促使膜的孔隙率也增大，导致氧化膜的硬度和比耐蚀性下降。在工业生产上，铝的阳极氧化通常采用的电流密度为1.5-2.0A/dm2。

2 实验部分 2.1 实验原理

2.1.1铝的阳极氧化原理

铝制品作阳极，以硫酸等酸为电解液进行阳极氧化，形成较厚的Al2O3氧化膜： 阴极：2H＋＋2e－→H2↑ 阳极：Al＋3e－→Al3＋

Al3＋＋3H2O→Al(OH)3＋3H＋ Al(OH)3→Al2O3＋3H2O

由于酸的作用，生成的氧化膜的最弱点会发生局部溶解（Al2O3＋6H＋=2Al3＋＋3H2O），出现的孔隙使得铝与电解液接触，又重新氧化生成氧化膜。随着氧化时间的延长，膜不断溶解与修补，氧化反应不断纵深发展，从而使制品表面生成薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。要使Al2O3氧化膜顺利形成，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，因此在铝的阳极氧化过程中，要控制好氧化条件。

2.1.2铝氧化膜的着色原理

由于氧化膜表面是由多孔层构成且比表面积大，具有很高的化学活性，因而可以对氧化膜进行表面着色。氧化膜着色应在氧化结束后进行。

①浸渍着色（翠绿着色）

氧化膜对翠绿色有机着色液的物理吸附和化学吸附，其化学吸附是指氧化铝与有机着色液官能团发生络合反应。

②电解着色（CuSO4电解液）

以已经阳极氧化好的铝片为阴极，铅网为阳极，电解CuSO4溶液： 阴极：Cu2＋＋2e－→Cu 阳极：H2O－2e－→1/2O2+2H+

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已经氧化好的铝片作为阴极，电解时生成致密均匀的Cu附着在其表面，形成紫红色铜膜。

本次实验采取浸渍着色。 影响着色的因素： ①氧化膜质量好坏；

②着色液的种类、浓度及处理条件。

2.1.3氧化膜的封闭处理原理

氧化膜的表面多孔，在这些孔隙中可以吸附染料也可以吸附结晶水。可以用沸水法将着色好的铝片进行封闭处理，其原理是利用无水Al2O3发生水化作用：

Al2O3＋H2O=Al2O3·H2O Al2O3＋3H2O=Al2O3·3H2O

由于氧化膜表面和孔壁的Al2O3水化结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。

2.2 实验方案设计

2.2.1 探讨因素

固定电解液的硫酸浓度为20%、通电时间为20min、室温条件、无添加剂的情况下，探讨电流密度对阳极氧化膜的影响：10mA/cm2、15mA/cm2、20mA/cm2三个电流密度。

2.2.2 表征手段

①浸泡着色：对三个电流密度下进行阳极氧化过的铝片分别进行翠绿着色10min，然后进行10min的水封；

②绝缘性与耐腐蚀性能的检测：对三个电流密度下进行阳极氧化过的铝片分别先进行10min的水封处理，再用万用电表测其电阻，再滴上腐蚀剂（K2Cr2O7+HCl）测其耐腐蚀性；

③氧化膜厚度测定：对三个电流密度下进行阳极氧化过的铝片分别先用电吹风吹干，然后称重，得mi，再溶膜10min，吹干称重，得m2，作氧化膜厚度测定，测定公式为：

（mi-m2）×104 δ= ρA

式中，δ为膜的厚度，μm；mi为成膜后铝片的质量，g；m2为退膜后铝片的质量，g；ρ为氧化膜的密度，2.7g/cm3；A为膜表面积，cm2。

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2.2.3 所需仪器药品 （1）电极与试剂 ①电极：铝片，铅网；

②铝片表面预处理试剂：去污粉，氢氧化钠溶液，硝酸溶液； ③电解液：硫酸溶液(20%)； ④着色试剂：翠绿着色液； ⑤溶膜液；腐蚀剂（K2Cr2O7+HCl） （2）仪器

电解槽；WLS稳流电源；分析天平；镊子；电炉；电吹风；烧杯等。 2.3 实验步骤

2.3.1前处理

（1）铝片的裁剪：剪下3片带3支片的铝片； （2）铝片的清洗：

先用去污粉清洗后，然后再进行： ①碱洗：氢氧化钠溶液浸洗30s； ②酸洗：硝酸溶液浸洗1min；

③水洗：去离子水清洗，洗后将铝片保存在去离子水中。 2.3.2铝片的阳极氧化

（1）以20%的硫酸为电解液，第1组的铝片为阳极（浸入电解液面积约1cm），铅网为阴极，前5min调节WLS稳流电源上的电流为0.03A（即电流密度约为5mA/cm2），再在0.06A（即电流密度为10mA/cm2）中电解15min；

（2）其他条件不变，阳极改为第2片铝片，前5min调节WLS稳流电源上的电流为0.03A（即电流密度为5mA/cm2），再在0.09A（即电流密度为15mA/cm2）中电解15min；

（3）其他条件不变，阳极改为第3片铝片，前5min调节WLS稳流电源上的电流为0.03A（即电流密度为5mA/cm2），后在0.12A（即电流密度为20mA/cm2）中电解15min；

一定要注意：每组铝片进行阳极氧化的前五分钟，电流密度控制在5 mA/cm2以下。

2.3.3后处理 1、浸泡着色

（1）第一次阳极氧化完成后，取一小片铝片，经自来水、去离子水冲洗干净后，放入翠绿着色液中着色10min；

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（2）将着色后的铝片放入沸水中进行封闭处理10min。 第二、三次阳极氧化完毕的铝片也同上处理。 2、绝缘性与耐腐蚀性能的检测

（1）第一次阳极氧化完成后，取一小片铝片，直接水封10min；

（2）擦干后，先用万用电表测其电阻，再滴上腐蚀剂（K2Cr2O7+HCl）观察现象。

第二、三次阳极氧化完毕的铝片也同上处理。 3、膜厚测定

（1）第一次阳极氧化完成后，取一小片铝片，用电吹风吹干，用分析天平称重并记录mi；

（2）溶膜处理：将铝片分别浸于热的不沸的溶膜液（（磷酸和CrO3）组成）中煮10 min；

（3）取出铝片用水冲洗、吹干后用天平称出退膜后铝片的质量m2； （4）计算膜厚。

同上处理并计算第二、三次铝片的膜厚δ值。

3 结果与讨论（产品见附页）

3.1 实验结果（包括数据处理，现象描述）

3.3.1铝片的预处理

（1）铝片的裁剪：剪下3组（3支片/组）共12支片1cm宽的铝片：

（2）铝片的清洗：观察到经清洗后的铝片表面变洁净呈银白色金属光泽。 3.3.2铝片的阳极氧化

观察到阳极氧化后的铝片表面金属光泽消失，呈浅白色；三组氧化后的铝片在色泽上无明显区别。

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3.3.3浸泡着色

着色后观察到铝片表面变为均匀的翠绿色，第1、2、3组的铝片颜色依次变淡；进行封闭处理后，第1组铝片颜色无明显变化，2、3组铝片颜色都稍微变淡。

3.3.4绝缘性与耐腐蚀性能的检测

测得的电阻均为无穷大；耐腐蚀性良好，滴上腐蚀剂无变化。 3.3.4铝片的膜厚测定 (1)数据记录及处理 组 1 2 3 表1 氧化膜膜厚记录及计算

（2）计算公式 （mi-ms）×104

δ= （ρ=2.7g/cm3） ρA 3.2 讨论

3.2.1文献值参考

（1）工业生产上，铝的阳极氧化通常采用的电流密度为15-20mA/cm2。[1] （2）电流密度的影响：阳极氧化与电流密度关系很大。电流密度高，氧化膜生成较快，微孔也增深，孔隙率大，易着色。但电流密度（电压)过高,铝件可能击穿烧坏, 造成粗糙的浸蚀状态。从而影响膜的质量。[2]

（3）膜层具有足够的厚度和孔隙率以及最大的透明度，就能获得最佳染色质量。如果氧化膜的孔径过大，易使工件表面粗糙，粗糙的膜层吸附能力差，得到色彩不鲜艳，孔隙率低的氧化膜吸附染料量少，得到的色浅。

3.2.2分析讨论

对于三个组阳极氧化后的氧化膜，通过浸泡着色、绝缘性与耐腐蚀性能的检测、膜厚测定三个表征手段，可知：

（1）第三组氧化后的浸泡着色的铝片颜色最绿，效果最佳；第一组次之；第二组着色虽然也均匀，但带又一点蓝；

（2）绝缘性与耐腐蚀性，三组都不分彼此；

（3）从下面的表2可知，氧化膜的膜厚随着电流密度的增加而增加：

[3]

mi/g 0.3035 0.2884 0.2755 ms/g 0.3012 0.2848 0.2716 A/cm2 3.6 4 3.6 实际电流密度（mA/ cm） 2δ/μm 2.366 3.333 4.012 5 7.5 10 物化设计性试验报告——铝的阳极氧化与表面着色

电流密度/mA/cm2 5 膜厚/μm

2.366 7.5 3.333 10 4.012 表2 膜厚随电流密度的变化关系 探讨以上得出三个实验结果可能的原因：

（1）因为水的折射的缘故，导致判断有效浸入面积小的一倍，从而本实验探讨的三个电流密度都比原定计划的电流密度小差不多一半，均不大于文献值15-20mA/cm2，而在这范围内，遵循电流密度越高，氧化膜效果越好的规律，但我们不能因此得出电流密度越高，氧化膜效果越好的结论，因为超过20mA/cm2的电流密度我们还未做验证。

（2）实验结果是电流密度越高，阳极氧化的氧化膜膜厚最厚、质量为最佳。但从翠绿着色效果看，电流密度虽然是电流密度最高时（10mA/cm2）阳极氧化的氧化膜质量最好，但却是电流密度最小的着色效果次之。这可能是：在操作过程中发现电源有时显示不稳定，显数会偶尔突变到很大。因而有可能在进行第二次阳极氧化时它突变的时间有点长，导致组员把电流密度又降了下来，从而造成着色效果反不如第一次电流密度最小时的着色效果。

4 结论

在固定电解液的硫酸浓度为20%、通电时间为20min、室温条件、无添加剂的情况下，探讨5mA/cm2、7.5mA/cm2、10mA/cm2三个电流密度对阳极氧化膜的影响：在5mA/cm2至10mA/cm2范围内，氧化膜的膜厚随着电流密度的增加而增加，其着色效果是电流密度为10mA/cm2的最佳。

参考文献

[1]何广平,南俊民，孙艳辉等.物理化学实验.化学工业出版社，2007.12:150-155. [2]余培旺，郑容容.铝的着色技术初探.福建化工，1996，3：37-40 [3]周琦等.铝件阳极氧化着色工艺的研究.沈阳化工，1996：18-20