铝的阳极氧化实验报告

物理化学实验报告

学生姓名： 学 号： 专 业：化学 年级，班级： 课程名称：中级物化实验 组员：

实验项目：铝的阳极氧化与表面着色——电解液浓度对氧化膜性能的影响 指导老师：孙艳辉 一、研究进展

近年来，铝的阳极氧化由于其氧化膜多孔的特性及良好的应用前景受到广泛的关注和深入研究。目前，国内外广泛应用的阳极氧化技术主要有硫酸阳极氧化,铬酸阳极氧化,草酸阳极氧化, 瓷质阳极氧化和硬质阳极氧化等，这些方法都有成熟的工艺规范[1]。而且，大都采用二次氧化的方法[2]。在电解液浓度的影响方面，张莹[2]等认为对于酸性电解液来说，随着其浓度的不断增大，氧化膜的极限厚度先增大而后减小，因此电解液的浓度应控制在一定的范围内。张勇[3]等用磷酸做电解液时发现当磷酸的浓度为0. 4 mol/ L 时,生成的氧化膜厚度最大。巩运兰[4]等用铬酸做电解液时发现随着铬酸浓度的增加，铝的氧化膜阻挡层厚度变薄。 二、实验部分 1.实验原理 1.1铝的阳极氧化

将铝制品作阳极，以硫酸、铬酸、磷酸、草酸等为电解液进行阳极氧化，可形成较厚的氧化膜，膜的主要成分是Al2O3，其反应历程比较复杂。以Al为阳极，Pb为阴极，H2SO4溶液为电解质为例，电解时的电极反应为： 阴极：阳极：

阳极上的Al被氧化，且在表面上形成一层氧化铝薄膜的同时，由于阳极反应生成的 H+ 和电解质H2SO4 中的H+ 都能使所形成的氧化膜发生溶解：

在硫酸电解液中阳极氧化，作为阳极的铝制品，在阳极化初始的短暂时间内，其表面受到均匀氧化，生成极薄而又非常致密的膜，由于硫酸溶液的作用，膜的最弱点（如晶界，杂质密集点，晶格缺陷或结构变形处）发生局部溶解，而出现大量孔隙，即原生氧化中心，使基体金属能与进入孔隙的电解液接触，电流也因此得以继续传导，新生成的氧离子则用来氧化新的金属，并以孔底为中心而展开，最后汇合，在旧膜与金属之间形成一层新膜，使得局部溶解的旧膜如同得到“修补”似的。随着氧化时间的延长，膜的不断溶解或修补，氧化反应得以向纵深发展，从而使制品表面生成又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，并达到一定厚度，必须使电极上氧化膜形成的速率大于氧化膜溶解的速率，这可以通过控制一定的氧化条件来实现。 1.2着色原理

氧化膜的表面是由多孔层构成的，其比表面积大，具有很高的化学活性。利用这一特点，在阳极氧化膜表面可进行各种着色处理。一般有三种着色类型：浸渍着色、电解着色和整体着色。本实验采用浸渍着色。浸渍着色的原理主要是氧化膜对色素体的物理吸附和化学吸附。无机盐浸渍着色主要是靠化学反应沉积在多空层。有机染料的着色通常认为既有物理吸附也包括有机染料官能团与氧化铝发生络合反应形成。 1.3封闭原理

氧化膜的表面是多孔的，在这些孔隙中可吸附染料，也可吸附结晶水。由于吸附性强，如不及时处理，也可能吸附杂质而被污染，所以要及时进行填充处理，从而提高多孔膜的强度等性能。

封闭方法：封闭处理的方法很多，如沸水法、高压蒸气法，浸渍金属盐法和填充有机物（油，合成树脂）等。众多方法中应用最广的是沸水法。 封闭原理：

沸水法是将铝片放入沸水中煮，其原理是利用无水三氧化二铝发生水化用。由于氧化膜表面和孔壁的Al2O3水化的结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。 2.实验方案设计 2.1探讨因素

这次实验我们组探讨的是电解液（硫酸）浓度对阳极氧化膜性质的影响，在固定

电流密度为15mA/cm2，氧化时间为20min的条件下，分别探究硫酸质量分数为10%，20%，30%时生成氧化膜的性质。 2.2表征手段

本次实验我们是从氧化膜的绝缘性、耐腐蚀性、厚度以及着色程度四个方面评价得到的氧化膜的性能。绝缘性是用万用电表测电阻的方法来得到，耐腐蚀性是通过在氧化膜表面滴加K2Cr2O7与HCl的混合液，观察是否有气泡及K2Cr2O7溶液是否变绿来判断，膜厚则是通过溶膜前后的质量差来判断，着色程度通过观察表面色泽及均匀程度来判断。 2.3所需仪器与药品

仪器：电解槽、WLS稳流电源、分析天平、镊子、万用电表、电炉、电吹风、剪刀、烧杯、胶头滴管等。

药品：铝片、铅片，去污粉，氢氧化钠溶液（3mol/L），硝酸溶液（2mol/L）,硫酸溶液（20%）染色剂（翠绿色），K2Cr2O7与HCl的混合液，溶膜液。 3实验步骤

3.1铝片的表面预处理

a.用去污粉刷洗铝片，然后用自来水冲洗干净。

b.将铝片放在333.2-343.2K、3mol/L的氢氧化钠溶液中，浸30s，取出后用自来水冲洗干净。

c.再将铝片放在2mol/L的硝酸溶液中浸60s，取出后用自来水冲洗干净，以除去碱处理时铝表面沉积的杂质及所吸附的碱。 d.将洗净的铝片存放于盛有蒸馏水的烧杯中待用。 3.2铝的阳极氧化

a.将铝片用电夹固定在电解槽的阳极，将铅网固定在阴极，往槽中加入20%的硫酸溶液，使液面浸没两片金属。

b. 实验中，我们3片铝片的面积都是1.5cm2，所以电流密度应调为1.5cm2×3×2×15mA/cm2=135mA=0.135A。打开电源开关，在前5min将电流调到0.005A以下，过了5min后，缓慢转动旋钮使电流上升到0.135A，并固定在这一个值。持续电解20min。（注意观察铅网有没有气泡产生，若没有，要检查原因。） c.电解完后，将铝片取下，用蒸馏水冲洗干净，将其剪成三片，以便接下来的处

理。

3.3性能表征 3.31氧化膜着色

取一块铝片用水冲洗干净，立即放入着色液中着色。约10min后，可观察到铝片上已有颜色，将其取出，用水冲洗干净后，投入沸水中加热封闭，时间约为10min。然后取出吹干，观察其着色情况。 3.32膜厚测定

将另一块铝片用水冲洗干净后用电吹风吹干，然后用镊子夹起放到分析天平上称重，记录重量，然后将该铝片放入353.15K左右的溶膜液中进行溶膜，10min后取出用水洗干净并吹干，再称重，记录数据。 3.33绝缘性和耐腐蚀性测定

将第三块铝片用水冲洗干净并吹干后，用万用表测其电阻。然后，用胶头滴管吸取1滴K2Cr2O7与HCl的混合液滴到铝片上，观察是否有气泡产生及重铬酸钾颜色变化。

做完电解液浓度为20%的实验后，用同样的方法完成电解液浓度为10%和30%的实验。（两种浓度的硫酸分别用20%的稀释和用浓硫酸稀释。） 三、结果与讨论 1.实验结果

10%浓度的硫酸：用万用电表测铝片电阻后，发现最大量程的20MΩ都没有读数，可见其电阻大于20MΩ。滴加1滴K2Cr2O7与HCl的混合液后，过了一段时间，发现铝片上没有气泡，K2Cr2O7溶液也没有变绿，即没被还原为Cr3+。铝片染色后，发现其上颜色非常浅，几乎看不出来。至于膜厚，溶膜前后的质量分别为0.2503g和0.2450g，由此算得膜厚δ=（mi-ms）×104/ρA=（0.2503g-0.2450g）×104μm·cm-1/2.7g·cm-3×1.5cm2×2=6.54μm。

20%浓度的硫酸：用万用电表测铝片电阻后，发现其电阻同样大于20MΩ。滴加1滴K2Cr2O7与HCl的混合液5min后，发现有一面的K2Cr2O7溶液有点变绿了，但另一面却没有变绿。铝片染色后，发现有一面颜色比较均匀，但另一面就没有全部着色，颜色不均匀。溶膜前后的质量分别为0.1909g和0.1866g，由此算得膜厚δ=（mi-ms）×104/ρA=（0.1909g-0.1866g）×104μm·cm-1/2.7g·cm-3×1.5cm2

×2=5.31μm。

30%浓度的硫酸：用万用电表测铝片电阻后，发现其电阻大于20MΩ。滴加1滴K2Cr2O7与HCl的混合液后，过了一段时间，发现铝片上既没有气泡，K2Cr2O7溶液也没有变绿。铝片染色后，发现两边颜色都很均匀。溶膜前后的质量分别为0.2366g和0.2339g，由此算得膜厚δ=（mi-ms）×104/ρA=（0.2366g-0.2339g）×104μm·cm-1/2.7g·cm-3×1.5cm2×2=3.33μm。 2.讨论

这次实验中所得到的不同电解液浓度的阳极氧化膜，其电阻都大于20 MΩ。在耐腐蚀程度方面，10%和30%的相差不大，但20%浓度电解液得到的氧化膜耐腐蚀性差，有一面所滴的K2Cr2O7溶液明显被还原了，而且，我们还发现铝片上有三个小黑点，不知是污垢还是其他东西，怀疑是被腐蚀出的洞。20%铝片两面耐腐蚀性的不同，说明两面所形成的氧化膜厚度不一样，所形成的膜不均匀，我们认为这可能是由于在电解时铝片可能倾斜了，没有与铅网完全平行所导致的。从耐腐蚀程度上看，10%和30%浓度的铝片性能差不多，20%浓度的性能较差。从膜厚上看，从10%到30%，随着电解液浓度的增大，膜逐渐变薄。其中30%浓度的铝片膜厚仅有3.33μm，这已经是很薄了，性能比较差，除了特殊应用的情况（如热反射器，光反射器）外，已经不适用于其他方面的应用了[5]。从膜厚的角度看，10%浓度是最好的。在着色方面，10%浓度的铝片着色情况很糟糕，但这是因为在实验中，没着色之前我们不小心将它放进了热水中，使得膜被封闭，因此才染不了色，而并不是10%浓度所做出的氧化膜不好。20%浓度的铝片染色不均匀，很可能是在染色时我们忘了将它翻过来，也可能是因为在之前的预处理中没有洗干净。30%浓度铝片着色相对较好。 3.结论

综合以上的讨论，我认为10%浓度的铝片性能比较好，其着色方面的不足不是其本身的原因，而是我们实验失败所致。这与老师告诉我们的20%浓度是最佳浓度的观点不符，我想可能是因为我们的实验出了一些差错的缘故。 参考文献

[1]宋蓓蓓, 刘莹红, 杜长海. 铝阳极氧化材料的研究进展[J]. 化学工程师, 2008, (11): 32-35.

[2]张莹, 王桂香. 铝阳极氧化膜的研究进展[J]. 电镀与环保, 2010, 30(4): 5-9. [3]张勇, 冯辉, 金远锋等. 多孔铝阳极氧化膜的制备及膜孔的影响因素[J]. 电镀与精饰, 2009, 31( 3) : 9-12.

[4] 巩运兰, 王为, 高俊丽等. 铬酸浓度对铝阳极氧化多孔膜阻挡层形成过程的影响[J]. Electroplating & Pollution Control, 1999, 19(2): 20-22.

[5]GB/T 8013-2009, 铝及铝合金阳极氧化膜与有机聚合物膜-第1部分：阳极氧化膜[S].

附：实验所得铝片

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