实验3：铝的阳极氧化与表面着色
【实验目的】
1.掌握阳极氧化的基本原理，学习铝的阳极氧化与表面着色工艺，了解对金属表面处理的一般方法；
2.了解和探讨铝在阳极氧化过程中影响氧化膜性能的各种因素，通过对比耐腐蚀性来评价氧化膜的质量。
【实验背景】
1. 铝的广泛应用：铝及铝合金具有密度小，比强度高，导电和导热性好，
成型容易，无低温脆性等优点，是一种综合性能优良的轻金属材料。目前，铝材在航空航天工业及建筑材料、交通工具、电子产品等领域中得到了广泛的应用。 2. 铝氧化膜的性质：金属铝在大气中其表面总是被一层透明的氧化膜所
覆盖，但是天然的铝氧化膜极薄且孔隙率大，机械强度低，抗蚀和耐磨性都不能满足防腐需要。利用电化学方法，可使铝（或铝合金）表面生成致密的优质氧化膜，且膜较厚，其厚度可达几十至几百微米，能有效地提高铝的耐腐蚀性。另外，由于所形成的氧化膜存在均匀的孔隙，故可用有机染料进行染色处理，经封密后色泽稳定，使铝材的应用更加广泛。这种使铝表面氧化的电化学工艺称为铝的阳极氧化。 3. 铝氧化膜分类：根据氧化膜用途可以在阳极氧化的同时， 再进行其它
工艺得到相应的氧化膜，如：防护性氧化膜；防护-装饰性氧化膜（氧化后再着色）；功能性氧化膜如硬质氧化膜；自润滑氧化膜；导电氧化膜；绝缘氧化膜、磁性氧化膜、光吸收氧化膜、催化膜等
【实验原理】 1. 铝的阳极氧化
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将铝制品作阳极，以硫酸、铬酸、磷酸、草酸等为电解液，惰性电极为阴极。其反应历程复杂。现在以 Al为阳极，Pb为阴极，H2SO4 溶液为电解质介绍其反应原理：
阴极：2H++2e-?H2? 阳极：Al-3e-?Al3+ Al3++3H2O?Al(OH)3+3H+ Al(OH)3?Al2O3+3H2O
阳极上的Al被氧化，且在表面形成一层氧化铝膜的同时，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： Al2O3+6H+?Al3++3H2O
当成膜和溶膜的速率决定了膜的厚度和致密度。
成膜机理：在硫酸电解液中阳极氧化，在阳极化初始的短暂时间内，阳极铝表面受到均匀氧化，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”。 影响因素：
(1) 氧化时间：随时间延长，膜不断溶解或修补，氧化反应得以向纵深发展，从
而使制品表面生成薄而致密的内层和厚而多孔的外层所组成的氧化膜。 (2) 电解液浓度：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，这要通过控制一定的氧化条件来实现。如果是在强酸电解液中，阳极上的金属离子不断地从金属本体 溶解，根本不能形成氧化膜；若在弱酸中，阳极产物在电解液中不溶解，则氧化膜很快形成并覆盖金属，电阻增大，使电化学反应不能正常进行不能形成所需厚度的氧化膜，所以要严格控制硫酸的浓度。 (3) 电流密度、温度、电压、杂质等等
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对膜的质量要求：
铝的阳极氧化和着色工艺要求形成的膜既有一定厚度，又要在膜上有均匀的孔隙，以保证电流的通过及将来着色。
这是一个既有膜的生长又伴随有膜的溶解的电极过程。
由于膜的不断生长与加厚，致使电阻不断增加，从而使膜的生长速率渐缓，此时膜的形成速率与膜的溶解速率达到动态平衡，膜的厚度就不会变化了。 2. 铝氧化膜的封闭
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：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。应用最广的是沸水法。
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： Al2O3+H2O?Al2O3?H2O Al2O3+3H2O?Al2O3?3H2O
由于氧化膜表面和孔壁的水化结果，使氧化物体积增大，将孔隙封闭。 3.表面着色
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。
着色目的：着色的目的在于提高产品的装饰性和耐蚀性，同时给铝制品表面以各种功能性。
【实验仪器与药品】 电极与试剂：
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