Как происходит анодирование алюминия? Свойства и образование пленки

Свойства и области применения анодных оксидных пленок

Анодирование — это процесс, при котором металл выступает в качестве анода в соответствующем электролите, а под действием приложенного тока на его поверхности образуется оксидная пленка. Использование различных типов и концентраций электролитов, а также различных условий процесса позволяет получать пленки с различными свойствами и толщиной от десятков до сотен микрометров. Для сравнения: толщина естественной оксидной пленки на алюминии составляет от 0,010 до 0,015 мкм.

Пористая структура

Анодная пленка имеет пористую сотовую структуру. Пористость зависит от электролита и условий процесса. Поры адсорбируют органические вещества, смолы, парафин, неорганические вещества, красители и краски. Поэтому пленка может служить основой для нанесения покрытий или гальванического осаждения, а также может быть окрашена для улучшения внешнего вида. Для повышения коррозионной стойкости требуется герметизация.

Износостойкость

Высокая твёрдость плёнки повышает износостойкость поверхности. Адсорбированная смазка может ещё больше улучшить износостойкость.

Коррозионная стойкость

Пленка устойчива к воздействию атмосферных факторов и обеспечивает хорошую коррозионную стойкость. Эксплуатационные характеристики зависят от толщины пленки, её состава, пористости, состава основания и целостности структуры. Анодированные плёнки, как правило, покрывают герметизирующим составом или краской для повышения коррозионной стойкости.

Электроизоляция

Анодная пленка обладает высоким сопротивлением изоляции и пробивающим напряжением и может использоваться в качестве диэлектрика в электролитическом конденсаторе или в качестве изолирующего слоя на электротехнических изделиях.

Теплоизоляция

Пленка является хорошим теплоизолятором и сохраняет свои свойства при температурах до 1500 °C. На деталях, кратковременно подвергающихся воздействию высоких температур, она может предотвратить плавление алюминия. Теплопроводность, как правило, составляет от 0,419 до 1,26 Вт/(м·К).

Адгезия

Поскольку пленка образуется непосредственно на подложке, она имеет очень прочную адгезию и её трудно удалить механическим способом. Даже если окисленную деталь из листового металла согнуть до поломки, пленка останется на месте. Таким образом, её адгезия намного выше, чем у напыленного покрытия.

Прозрачность

Анодные оксидные пленки обладают высокой прозрачностью, которая увеличивается с ростом чистоты алюминия. На прозрачность влияют как чистота материала, так и состав сплава.

Функциональные свойства

Функциональные частицы могут наноситься в поры для создания материалов, обладающих электромагнитными, каталитическими, сенсорными, сепарационными и другими свойствами.

Механизм образования анодных оксидных пленок

Алюминий и алюминиевые сплавы, как правило, подвергаются анодированию в кислых растворах с умеренной растворяющей способностью. В качестве катода может выступать свинец, который в основном проводит ток. На аноде происходят следующие реакции:

H₂O → [O] + 2H⁺ + 2e⁻

2Al + 3[O] → Al₂O₃

На катоде протекает следующая реакция:

2H⁺ + 2e⁻ → H₂↑

Кроме того, кислый электролит химически растворяет алюминиевую подложку и оксидную пленку:

2Al + 6H⁺ → 2Al³⁺ + 3 часа₂↑

Al₂O₃ + 6 ч⁺ → 2Al³⁺ + 3 часа₂O

Осаждение пленки и её растворение происходят одновременно. В начале процесса анодирования скорость осаждения превышает скорость растворения, в результате чего толщина пленки увеличивается. По мере утолщения пленки её электрическое сопротивление возрастает, сила тока уменьшается, а скорость осаждения замедляется. Когда процессы осаждения и растворения достигают динамического равновесия, толщина пленки стабилизируется.

Кривая «напряжение-время» также объясняет последовательность роста пленки.

1. Этап а: формирование барьерного слоя. В участке AB напряжение резко возрастает от нуля до максимального значения, называемого критическим напряжением, в течение первых нескольких секунд — десятков секунд. На аноде образуется сплошная, тонкая, непористая пленка, препятствующая дальнейшему утолщению. Толщина барьерного слоя пропорциональна напряжению образования и обратно пропорциональна скорости растворения в электролите. Толщина составляет от 0,01 до 0,1 мкм.
2. Этап b: образование пористого слоя. В участке BC сначала растворяются самые тонкие участки, образуя полости. Через эти полости электролит проникает к свежему алюминию, и электрохимическая реакция продолжается. Сопротивление уменьшается, а напряжение падает до значения от 10% до 15% от максимального, что свидетельствует о растворении барьерной пленки и образовании пористого слоя.
3. Этап c: сгущение пористого слоя. В секции CD примерно через 20 секунд напряжение переходит в стабильную фазу, характеризующуюся медленным ростом. По мере того как барьерный слой постепенно растворяется, образуя пористый слой, начинает образовываться новый барьерный слой. Процессы образования и растворения пленки продолжаются на дне каждой ячейки. Когда их скорости достигают динамического равновесия, увеличение времени анодирования больше не приводит к увеличению толщины, и процесс следует остановить.