Вторичные процессы и их роль при анодном оксидировании алюминия и его сплавов (стр. 1 из 2)
ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ РОЛЬ ПРИ АНОДНОМ ОКСИДИРОВАНИИ АЛЮМИНИЯ И ЕГО СПЛАВОВ
Электрохимия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук
Титаренко Ольга Викторовна
2002
Общаяхарактеристикаработы
Актуальностьтемы.
Анодное оксидирование алюминия и его сплавов применяется для придания изделиям широкого спектра функциональных свойств: высокой коррозионной стойкости, твердости, износостойкости, электроизоляционных свойств, декоративного вида и пр. Изделия из анодированного алюминия широко используются в самолето- и приборостроении, радиоэлектронике, бытовой технике. Декоративное анодирование алюминия получило в последнее время интенсивное развитие, позволяющее получать всю цветовую гамму, обладающую высокой светостойкостью. Весьма перспективно в этом плане оксидирование с последующим электрохимическим окрашиванием в растворах минеральных солей.
Несмотря на широкое использование и повышенный интерес к электролитическому оксидированию и окрашиванию алюминиевых изделии, механизм этих процессов изучен недостаточно, систематические исследования процессов окрашивания в различных электролитах до настоящего времени не проводились. Многообразие воззрений на механизм и кинетику протекающих реакций затрудняет эффективное решение технологических задач. Таким образом, тема работы актуальна.
Работа выполнена в соответствии с планом важнейших НИР СГТУ по теме «Исследование механизма и кинетики электродных процессов на оксидных электродах в экстремальных условиях» в рамках НТП ГК РФ «Товары народного потребления», а также в соответствии с договором о творческом сотрудничестве с Институтом электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН по проблеме «Электрохимия» (п.2.в. 10.1 Координационного плана).
Цель работы.
Изучение закономерностей анодного поведения алюминия и его сплавов в растворах кислот на начальных стадиях формирования АОП и вторичных процессов, оказывающих влияние на структуру и свойства формирующегося слоя оксида.
Задачи исследования:
- исследование растворяющего действия растворов кислот (Н3РО4, HNO3,
H2SO4) на свойства воздушного оксида;
- исследование влияния потснциала7длитсльности поляризации, а также концентрации и состава раствора на кинетику формирования слоя анодного оксида и выяснение механизма процесса;
- изучение pHsприэлектродного слоя;
- изучение элементного и фазового состава АОП на начальных стадиях формирования, проведение гравиметрических исследований;
- изучение структуры и свойств АОП в различных экспериментальных условиях;
- исследование кинетики и механизма окрашивания АОП при катодной обработке в растворах солей переходных металлов в потенциостатическом режиме;
- измерение температуры приэлектродного слоя;
- выяснение возможности использования гальваношламов в технологии окрашивания АОП;
- разработка технологических рекомендаций по формированию АОП и их окрашиванию с заданными структурой и свойствами.
Научная новизна работы.
Впервые проведено систематическое исследование кинетических закономерностей и механизма формирования АОП на алюминии и его сплавах (АМЦ, АМГ-6) на начальных стадиях в растворах кислот, обладающих высоким и низким растворяющим действием, и их солей (H2SO4, Н2С2О4, C5H4NCOOH, Н3РО4) в широком интервале концентраций, температур, составов, потенциалов, плотностей тока и длительности поляризации.
Установлено, что формирование слоя анодного оксида на алюминии и его сплавах протекает в кислых растворах по механизму электрохимического внедрения через стадию адсороционно-электрохимического взаимодействия молекул воды анионов с поверхности электрода и сопровождается снижением pHs приэлектродного слоя.
Получены новые данные о влиянии потенциала, температуры и концентрации раствора на кинетику диффузии внедрившихся ионов в структуре формирующегося слоя АОП и об участии их в процессе фазообразования.
Обнаружена смена логарифмического закона образования поверхностного оксида параболическим при критическом потенциале пассивации и по достижении переходного времени.
Найдено, что сопутствующий процесс диффузии протонов и катионов металла протекает по механизму электрохимического внедрения. Образующиеся фазы внедрения вызывают изменения в структуре анодного оксида и оказывают влияние на его свойства.
Установлено, что диффузия ионов в формирующемся слое оксида затруднена. Впервые показано, что процесс, окрашивания АОП на начальной стадии сопровождается колебаниями температуры приэлектродного слоя; амплитуда колебаний может достигать 40-100 С.
Обнаружен полирующий эффект на алюминии и его сплавах, покрытых оксидным слоем, в растворах кислот, обладающих высоким растворяющим действием.
Показано, что процесс электрохимического окрашивания анодного оксида в растворах солей переходных металлов подчиняется закономерностям катодного внедрения.
Определены условия (концентрация компонентов, температура, напряжение на ванне, плотность тока) формирования толстых АОП (до 100 мкм) с высокими электроизоляционными свойствами и тонких АОП (до 4-5 мкм) с высокой электрической прочностью в растворах смеси серной и щавелевой кислот с добавками никотиновой и сульфаминовой.
Практическая значимость результатов работы.
Разработаны составы электролитов на основе серной и щавелевой кислот с добавками никотиновой или сульфаминовой кислоты и режимы электролиза для формирования толстых электроизоляционных АОП на сплавах алюминия (АМЦ и АМГ-6), которые могут использоваться в качестве металлической основы печатных плат. Подобраны составы электролитов и режимы электролиза формирования тонких АОП с высокой электрической прочностью, которые могут найти применение в производстве электролитических конденсаторов. Предложены режимы электролиза и составы электролита для электрохимического окрашивания АОП в черный, бронзовый и желтый цвета, обеспечивающие высокую коррозионную стойкость, стабильность и воспроизводимость окраски.
Апробация результатов работы.
Результаты исследований по теме диссертационной работы докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: «Совершенствование технологии гальванопокрытий» (Киров, 1994-1997); «Прогрессивная технология и вопросы экологии в производстве печатных плат» (11смча, 1996); «Современные электрохимические технологии СЭХ'Г-96» (Саратов, 1996); 1-й Европейский конгресс по химической технологии (Флоренция, 1997); «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» (Саратов, 1997); «Электрохимия мембран и процессы в тонких ионопроводящих пленках на электродах ЭХМ-99», (Саратов, 1999), а также на научно-технических конференциях молодых ученых НИИХИТ (Саратов, 1995); СГТУ (Энгельс, 1993-1995), на научных семинарах ТИ СГТУ (Энгельс, 1997-1998).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 14 работ.
Объем и структура работы.
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка цитируемой литературы.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1.Кинетические закономерности и механизм формирования АОП на алюминии и его сплавах в растворах кислот, обладающих высоким и низким растворяющим действием (H2S04, H2C204, H2N-C6H4-S03H, Н3Р04 и др.)
2.Кинетические закономерности и механизм процесса электрохимического окрашивания АОП в подкисленных растворах солей переходных металлов (CuS04, NiS04, C0SO4 в присутствии MgS04; КМтЮ4).
3.Технологические рекомендации по формированию толстослойных и тонкослойных АОП с электроизоляционными свойствами.
4.Технологические рекомендации по электрохимическому окрашиванию АОП, в том числе в растворах на основе гальваношламов.
Основное содержание работы
 |
Проанализированы литературные данные по механизму и кинетике образования анодного оксида на алюминии и других вентильных металлах, о влиянии дефектов АОП на проводимость и другие свойства АОП. Изложены современные представления о ячеистой структуре АОП; о роли структурного аниона; о влиянии структуры АОП и состава электролита на природу формирования цвета АОП.
 |
 |
Форма годографа не меняется при замене НРС на H2S04 или HgN-l, однако высокочастотная дуга годографа смещается в область на порядок более низких значений RiH тем значительнее, чем меньше плотность тока, время оксидирования и концентрация кислоты. Емкость двойного слоя возрастает в 3-5 раз, но по-прежнему не превышает 0,5 мкФ/см.
Таким образом, в фосфорной кислоте образуются тонкие слои анодного оксида, близкие к барьерным, в серной кислоте образуются более толстые слои и с более высокой скоростью. Согласно полученным данным, определяющую роль в кинетике формирования оксидных пленок на начальных стадиях процесса играет электролит. Действительно, введение в раствор H2SO4 щавелевой, лимонной, сулъфаминовой, борной кислот и их смесей позволяет формировать на алюминии и его сплавах (АМГ-6) тонкие оксидные пленки с высокой электрической прочностью. Увеличение концентрации H2SO4 и Н2С2О4 в растворе их смеси и введение добавок никотиновой кислоты C5H4NCOOH позволяет формировать плотные АОП толщиной до 30-50 мкм, напряжение пробоя которых может достигать 1000 В.
Следующая глава посвящена структуре и свойствам анодных оксидных пленок, формируемых в растворах на основе серной и щавелевой кислот.