Como funciona a anodização do alumínio? Propriedades e formação da película

Propriedades e aplicações das camadas de óxido anódico

A anodização é um processo no qual um metal atua como ânodo em um eletrólito adequado e uma corrente aplicada forma uma película de óxido em sua superfície. Diferentes tipos e concentrações de eletrólitos, bem como diferentes condições de processo, produzem películas com propriedades distintas e espessuras que variam de dezenas a centenas de micrômetros. A título de comparação, a película de óxido natural do alumínio tem espessura de 0,010 a 0,015 μm.

Estrutura porosa

Uma película anódica possui uma estrutura porosa em forma de favo de mel. A porosidade depende do eletrólito e das condições do processo. Os poros adsorvem substâncias orgânicas, resinas, cera de parafina, substâncias inorgânicas, corantes e tintas. A película pode, portanto, servir como base para revestimentos ou galvanização e pode ser tingida para melhorar a aparência. É necessária uma vedação para aumentar a resistência à corrosão.

Resistência ao desgaste

A alta dureza do filme melhora a resistência ao desgaste superficial. O lubrificante adsorvido pode melhorar ainda mais o desempenho contra o desgaste.

Resistência à corrosão

A película é estável na atmosfera e oferece boa resistência à corrosão. O desempenho depende da espessura da película, da composição, da porosidade, da composição do substrato e da integridade estrutural. As películas anodizadas são normalmente seladas ou pintadas para melhorar a resistência à corrosão.

Isolamento elétrico

Uma película anódica apresenta alta resistência de isolamento e alta tensão de ruptura, podendo servir como dielétrico em um capacitor eletrolítico ou como camada isolante em produtos elétricos.

Isolamento térmico

O filme é um bom isolante térmico e permanece estável até 1.500 °C. Em peças expostas brevemente a altas temperaturas, ele pode ajudar a impedir que o alumínio derreta. A condutividade térmica varia geralmente entre 0,419 e 1,26 W/(m·K).

Adesão

Como o filme se desenvolve diretamente a partir do substrato, ele apresenta uma aderência muito forte e é difícil de ser removido mecanicamente. Mesmo quando uma peça de chapa metálica oxidada é dobrada até se romper, o filme permanece aderido. Sua aderência é, portanto, muito mais forte do que a de um revestimento depositado.

Transparência

As camadas de óxido anódico são altamente transparentes, e a transparência aumenta com a pureza do alumínio. Tanto a pureza do material quanto a composição da liga afetam a transparência.

Propriedades funcionais

Partículas funcionais podem ser depositadas nos poros para criar materiais com funções eletromagnéticas, catalíticas, de detecção, de separação e outras.

Mecanismo de formação de filmes de óxido anódico

O alumínio e as ligas de alumínio são geralmente anodizados em soluções ácidas com poder de dissolução moderado. O chumbo pode servir como cátodo e tem como principal função conduzir a corrente. As seguintes reações ocorrem no ânodo:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

A seguinte reação ocorre no cátodo:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

O eletrólito ácido também dissolve quimicamente o substrato de alumínio e a camada de óxido:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂↑

Al₂O₃ + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3H₂O

O crescimento e a dissolução da película ocorrem simultaneamente. No início do processo de anodização, o crescimento é mais rápido do que a dissolução, de modo que a espessura da película aumenta. À medida que a película fica mais espessa, sua resistência elétrica aumenta, a corrente diminui e o crescimento desacelera. Quando o crescimento e a dissolução atingem o equilíbrio dinâmico, a espessura se estabiliza.

A curva de tensão em função do tempo também explica a sequência de crescimento do filme.

1. Etapa a: formação da camada de barreira. Na seção AB, a tensão aumenta acentuadamente de zero até um valor máximo, chamado de tensão crítica, durante os primeiros segundos a dezenas de segundos. Uma película contínua, fina e não porosa se forma no ânodo e impede que ela continue a engrossar. A espessura da camada de barreira é proporcional à tensão de formação e inversamente proporcional à taxa de dissolução no eletrólito. A espessura varia de 0,01 a 0,1 μm.
2. Etapa b: formação da camada porosa. Na seção BC, os pontos mais finos se dissolvem primeiro, formando cavidades. O eletrólito atinge o alumínio novo por meio dessas cavidades e a reação eletroquímica continua. A resistência diminui e a tensão cai de 10% para 15% do valor máximo, indicando que a película de barreira está se dissolvendo e que uma camada porosa está se formando.
3. Estágio c: espessamento da camada porosa. Na seção CD, após cerca de 20 segundos, a tensão entra em uma fase estável, com aumento gradual. À medida que a camada de barreira se dissolve continuamente, transformando-se em uma camada porosa, uma nova camada de barreira se forma. A formação e a dissolução da película continuam no fundo de cada célula. Quando suas taxas atingem o equilíbrio dinâmico, prolongar o tempo de anodização não aumenta mais a espessura, e o processo deve ser interrompido.