实验7铝的阳极氧化和着色实验资料

要:
铝的阳极氧化膜性能受到诸多因素的影响，如氧化时间、电解质浓度、添加剂等，其中由
,故它是研究阳极氧化质量评估的重要指标之
本文主要通过控制标量法探讨当其它因素选择文献最优值的情况下，电流密度对铝的阳极
20mA/cm2时氧化膜性能最优。
铝阳极氧化、电流密度、氧化膜性能
：
2, the performance of oxidation film become the
：Aluminum Anodizing 、Current density 、Coating properties
研究进展（10分）
,铝及其合金在空气中自然形成一层Al
O3.H2O或Al2O3氧化膜, 可以
,起到一定的防护作用。但对于稍微苛刻
,这种在空气中自然形成的膜,就不足以真正地保护铝基体了。1因而人们研究了各类

机理研究
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
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

方法与因素
,研究发现使脉冲电流与直流电流相叠加,可以高速地完成阳极氧化,其
,但它的可靠性更强,制取的氧化膜的性能更为优异。在众多方法
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
10-15min即可获得厚度为5-20μm的氧化

铝的阳极氧化膜性能受到诸多因素的影响，主要
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，
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
1.5-2.0A/dm2。2
生活应用
,无论从氧化膜质量上或是从工艺应用方面来说,均比化学
.铝材的阳极氧化膜不仅具有优良的机械性能、较好的抗蚀性,还具有较强的
,它在采用各种着色方法后,均可获得诱人的装饰效果,故在防护和装饰方面,它得到了
3
实验部分 （30分）
实验原理（5分）

铝的阳极氧化原理
Al2O3氧化膜：
2H+＋2e→H2↑
Al＋3e→Al3+
Al3＋3H
O→Al(OH)3＋3H+
→Al2O3＋3H2O
Al
O3＋6H+=2 Al3+＋3H2O），出现
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
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
要使Al
O3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，
4
铝氧化膜的着色原理
具有很高的化学活性，因而可以对氧化膜


其化学吸附是指氧化铝与有机着色液


CuSO4电解液）
CuSO4溶液： 阴极：Cu2＋＋2e－→
阳极：H2O－2e－→1/2O2+2H+

氧化膜的封闭处理原理
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
Al2O3发生水化作用：
O3＋H2O =Al2O3.H2O
O3＋3 H2O =Al2O3.3H2O
Al
O3水化结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。
实验方案

设计
探讨因素
探讨某一因素对阳极氧化膜的影响，给出所探讨的
。
20%、通电时间为20min、室温条件、无添加剂的情况下，探讨
10mA/cm2、15mA/cm2、20mA/cm2三个电流密度。
表征手段

10min，然后进
10min的水封；
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；
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
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/(ρ*A)式中，δ为膜的厚度(μm)；mi为成膜后铝片的质量(g)；m2
(g)；ρ为氧化膜的密度=2.7g/cm3；A为膜表面积(cm2)。
所需仪器药品
1）电极与试剂


(20%)；

K2Cr2O7+HCl）
2）仪器
WLS稳流电源；分析天平；镊子；电炉；电吹风；烧杯等。
实验步骤
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：
①碱洗：氢氧化钠溶液浸洗30s； ②酸洗：硝酸溶液
1min；③水洗：去离子水清洗，洗后将铝片保存在去离子水中。
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3.4cm），铅网为
前5min调节WLS稳流电源上的电流为0.102A（即电流密度约为5mA/cm2），再在0.204A
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0.102A
5mA/cm2），再在0.306A（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0.102A
5mA/cm2），后在0.408A（即电流密度为20mA/cm2）中电解15min；
5 mA/cm2以下，电解

后处理

、浸泡着色
1）取一小片铝片，，放入翠绿着色液中着色10min；
2）将着色后的铝片放入沸水中进行封闭处理10min。
3）取出铝片，经自来水、去离子水冲洗干净后，晾干放置。
、绝缘性与耐腐蚀性能的检测
1）取一小片铝片，直接水封10min，为了染料的影响，第一、第三阳极用另外一个烧

2）擦干后，先用万用电表测其电阻，再滴上腐蚀剂（K
Cr2O7+HCl），计时观察现象。
、膜厚测定
1）取下一被氧化了的铝片，直接水封10min，用酒精加快干燥后，用分析天平称重并
mi；
2）溶膜处理：将铝片分别浸于热的不沸的溶膜液（磷酸和CrO
组成）中煮10 min；
3）取出铝片用水冲洗、吹干后用天平称量退膜后铝片的质量m2；
4）计算膜厚。
δ值。
结果与讨论
实验结果数据记录：

氧化深度
绝缘性/电阻
氧化膜质量/g 溶膜后质量/g 净质量/g 着色效果 耐腐蚀性
2 3.4 无穷大 0.4248 0.4232 0.0016 绿色较深 在十几分钟内就重铬酸钾盐酸溶液就变成绿色
2 3.4 无穷大 0.4345 0.4134 0.0211 绿色最深 三十分钟

内重铬酸钾盐酸溶液不变色
2 3.4 无穷大 0.4210 0.4048 0.0162 绿色最浅 三十分钟内重铬酸钾盐酸溶液不变色
数据处理
δ值的计算（以10A/dm2代表进行数据演示）：
δ=（mi-m2）×104/(ρ*A)可得，δ=（0.4248-0.4232）*10000/(2.7*3.4*2)=
0.8715μm
δ，列表如下：

10mA/cm2 15mA/cm2 20mA/cm2
/μm 0.8715 6.0458 8.8235
成品展示

讨论
文献值参考
1）较高的电流密度虽有利于膜厚度的增加，但是容易造成铝片表面过热而使氧化膜疏松。
15~20A/dm2。5
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
)过高,铝件可能击穿烧坏, 造成粗糙的浸蚀状
6
3）电流密度严重影响着氧化膜厚度的增长,随着电流密度的增加,氧化膜及其致密层的增长
,但致密层所占总膜厚的比例逐渐降低。7
分析讨论
通过浸泡着色、绝缘性、耐腐蚀性能的检测和膜厚测定

1） 着色效果：第二组氧化后的浸泡着色的铝片颜色均匀且最绿，效果最佳；第一组次之；


2）绝缘性：三组都不分彼此，电阻均为无穷大。
5 mA/cm2条件下电解

3）耐腐蚀性：第一组耐腐蚀性最差，第二完全不被腐蚀，效果很好，第三组虽然在三十分

原因是：第一组电流密度太低形成的膜很薄，容易被腐蚀，第三组提高电流密度有利于

4）氧化膜的膜厚度：由图二可知氧化膜厚度随着电流密度的增加而增加。
原因是：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

结论
20%、通电时间为20min、室温条件、无添加剂的情况下，探
10mA/cm2、15mA/cm2、20mA/cm2三个电流密度对阳极氧化膜的影响：
绝缘性、耐腐蚀性能和氧化膜厚度分析可知，使铝铝的阳极氧化膜性能最佳
15mA/cm2。

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