用于微弧氧化的电解液、微弧氧化方法及铝或铝合金材料技术

本申请公开了一种用于微弧氧化的电解液、微弧氧化方法及铝或铝合金材料。本申请的用于微弧氧化的电解液，包括终浓度为5‑40g/L的磷酸盐、1‑10g/L的氟化物和1‑15g/L的铵盐，溶剂为蒸馏水。本申请的用于微弧氧化的电解液，能够在金属表面形成特殊的疏水陶瓷层，对水的接触角可以达到100°‑180°，使被处理工件具备易清洁或自清洁、防指纹、防雾、防结冰、水中减阻、耐腐蚀等多种性能。并且相对有机疏水涂层，采用本申请的电解液形成的疏水陶瓷层具有不易老化、寿命长和力学性能好等特点。

【技术实现步骤摘要】
用于微弧氧化的电解液、微弧氧化方法及铝或铝合金材料
本申请涉及合金材料表面改性领域，特别是涉及一种用于微弧氧化的电解液、微弧氧化方法及铝或铝合金材料。
技术介绍
具有疏水或超疏水性能的材料可以实现自清洁、防指纹、防雾、防结冰、水中减阻、耐腐蚀等多种性能，但是目前疏水或超疏水性能的实现却比较复杂，一般首先要制作微/纳米结构，然后再通过涂覆一层低表面能的材料来实现。然而，一方面制作微纳结构工艺复杂，成本高，另一方面低表面能的材料一般为含Si或F的有机物，其抗老化性能差，力学性能差，使得疏水性能具有一定时效性，因此不适合用在高层建筑、舰船、飞机等力学性能要求高，寿命要求长的领域。铝及其合金因其低密度、高比强度及易加工成型等特点，已经被广泛应用于汽车工业、航空航天、医疗器械、军事国防以及3C产品等多个领域。如果在铝及其合金上制备力学性能好、且寿命长的疏水或超疏水涂层，将满足国民经济更广泛的应用，比如自清洁、防结冰和冰雪覆盖、船只与武器减阻等各方面。微弧氧化法可以在铝及其合金表面生成高结合力的氧化物陶瓷涂层，具有很好的力学性能和超长的使用寿命。但是，现有的微弧氧化方法在铝或铝合金表面所形成的氧化物陶瓷层，主要注重力学性能的改善，无法实现疏水性。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的用于微弧氧化的电解液，基于该电解液的微弧氧化方法，以及采用该微弧氧化方法制备的表面疏水陶瓷层的铝或铝合金材料。本申请采用了以下技术方案：本申请一方面公开了一种用于微弧氧化的电解液，包括终浓度为5-40g/L的磷酸盐、1-10g/L的氟化物和1-15g/L的铵盐，溶剂为蒸馏水。需要说明的是，本申请的电解液主要是针对微弧氧化在金属材料表面形成疏水陶瓷层而研究的，与现有的微弧氧化膜层不同的是，采用本申请的电解液，能够在金属表面形成疏水陶瓷层，能够满足疏水或超疏水材料的使用需求，使其具备自清洁、防指纹、防雾、防结冰、水中减阻、耐腐蚀等多种性能；并且，所形成的疏水陶瓷层具有不易老化、寿命长和力学性能好的特点。其中，通过疏水陶瓷层隔绝水溶液，避免水溶液或水分子与金属表面直接接触，从而起到耐腐蚀的效果。优选的，磷酸盐选自六偏磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、多聚磷酸钠、磷酸三钠和焦磷酸钠中的至少一种。优选的，氟化物选自氟化钠、氟化钾、氟化铵中的至少一种。优选的，铵盐选自草酸高铁铵、草酸铵、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、碳酸铵中的至少一种。优选的，电解液的pH值为5-8，电解液的离子电导率为5-60mScm-1。本申请的另一面公开了一种采用本申请的电解液的微弧氧化方法。优选的，电解液的温度控制在20℃-50℃；微弧氧化方法使用的电源为脉冲电源，脉冲电源处理参数为，恒流模式下，电流密度3-10A/dm2、处理时间1-30min、频率50-3000Hz；或者恒压模式下，电压300-500V，处理时间1-30min、频率50-3000Hz。优选的，本申请的微弧氧化方法，包括以下步骤，1)前处理，包括打磨、脱脂和去离子水洗涤；2)微弧氧化，包括将工件放入预先配置好的所述电解液中，工件连接微弧氧化电源正极，电源负极连接工作电极，工作电极与电解液接触，开启电源进行微弧氧化处理；3)后处理，包括直接用去离子水洗涤，风干即获得微弧氧化的工件。优选的，步骤1)中，脱脂采用有机溶剂超声溶解，有机溶剂包括乙醇和/或丙酮，超声时间为10-30min。本申请的另一面公开了一种铝或铝合金材料，该铝或铝合金材料的表面具有采用本申请的微弧氧化方法制备的疏水陶瓷层。优选的，疏水陶瓷层以Al2O3为主体，疏水陶瓷层中含有P和F元素，疏水陶瓷层由珊瑚状外层和竖立排布的纳米管状内层组成；疏水陶瓷层对水的接触角为100°-180°。需要说明的是，本申请的电解液主要是针对铝或铝合金的微弧氧化而研制的，其主要目的就是在铝或铝合金表面形成特殊的疏水陶瓷层，这与一般的微弧氧化所形成的膜层是不同的，在本申请的实现方式中，疏水陶瓷层的结构、组成含量、疏水接触角等都不同于一般的微弧氧化膜层；其中组成含量方面，由于本申请的电解液中添加了磷酸盐和氟化物，因此，在疏水陶瓷层中含有P和F元素；结构方面，本申请的疏水陶瓷层由珊瑚状外层和竖立排布的纳米管状内层组成；并且本申请的疏水陶瓷层疏水性能优越，对水的接触角可以达到100°-180°。优选的，本申请的疏水陶瓷层厚度为0.5-20μm，其中，珊瑚状外层为微米级，厚度为0.1-3μm，纳米管状内层的高度为0.2-20μm，纳米管直径为200-800nm。本申请的有益效果在于：本申请的用于微弧氧化的电解液，能够在金属表面形成特殊的疏水陶瓷层，对水的接触角可以达到100°-180°，使被处理工件具备易清洁或自清洁的性能，并且具有防指纹、防雾、防结冰、水中减阻、耐腐蚀等多种性能。此外，采用本申请的电解液形成的疏水陶瓷层具有不易老化、寿命长和力学性能好等特点。附图说明图1是本申请实施例1中微弧氧化处理的铝片表面放大倍数为5000的电镜扫描结果图；图2是本申请实施例1中微弧氧化处理的铝片表面放大倍数为30000的电镜扫描结果图；图3是本申请实施例1中微弧氧化处理的铝片切面放大倍数为10000的电镜扫描结果图；图4是本申请实施例1中微弧氧化处理的铝片切面放大倍数为60000的电镜扫描结果图。具体实施方式本申请用于微弧氧化的电解液，能够通过微弧氧化在金属表面形成一层特殊的疏水陶瓷层，该疏水陶瓷层的主体为金属氧化物，其中含有P和F元素，并且，本申请形成的疏水陶瓷层由微米级的珊瑚状外层和纳米管状内层构成多级纳米结构，使得整个疏水陶瓷层对水的接触角为100°-180°，使被处理工件具备易清洁或自清洁、防指纹、防雾、防结冰、水中减阻、耐腐蚀等多种性能，且具有涂层不老化、寿命长和力学性能好的特点。需要说明的是，本申请的电解液是特别针对铝和铝合金的微弧氧化而研制的，因此，所以铝合金材料都可以适用。可以理解，本申请的电解液同样能够用于其它可以采用微弧氧化处理的金属或合金材料，从而在金属表面形成疏水陶瓷层。下面通过具体实施例和附图对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。实施例一本例以纯铝材料为例进行微弧氧化，铝片的尺寸为25×50×2mm3。本例的电解液中，磷酸盐采用六偏磷酸钠，氟化物采用氟化钠，铵盐采用草酸高铁铵，电解液制备方法如下：称取六偏磷酸钠、氟化钠和草酸高铁铵，将其加入蒸馏水中，搅拌使其溶解。使得六偏磷酸钠终浓度为10g/L，氟化钠的终浓度为2g/L，草酸高铁铵终浓度为4g/L。即获得本例的电解液。本例的微弧氧化方法包括：1)前处理：对铝片进行打磨处理，用砂纸除去铝片表面及边角毛刺，去除表面异物，减少铝片粗糙度；再用有机溶剂20mL丙酮和50mL乙醇，依次对铝片进行超声清洗10min，去掉表面有机污染物，之后禁止用手直接接触样品表面，避免再次污染；最后用去离子水洗掉表面的有机残留，并风干。2)微弧氧化：将样品浸入到本例配制的电解液中，采用20KW高压脉冲电源，恒流模式，电流密度5A/dm2、频率200Hz、反应时间8min。反应温度通过冷却系统控制在50℃以内。3)后处理：制备的膜层用去离子水洗净，自然风干，即获得本例经过表面处理的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于微弧氧化的电解液，其特征在于：包括终浓度为5‑40g/L的磷酸盐、1‑10g/L的氟化物和1‑15g/L的铵盐，溶剂为蒸馏水。

【技术特征摘要】
1.一种用于微弧氧化的电解液，其特征在于：包括终浓度为5-40g/L的磷酸盐、1-10g/L的氟化物和1-15g/L的铵盐，溶剂为蒸馏水。2.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述磷酸盐选自六偏磷酸钠、磷酸氢二钠、磷酸二氢钠、多聚磷酸钠、磷酸三钠和焦磷酸钠中的至少一种。3.根据权利要求1所述的电解液，其特征在于：所述氟化物选自氟化钠、氟化钾、氟化铵中的至少一种。4.根据权利要求1-3任一项所述的电解液，其特征在于：所述铵盐选自草酸高铁铵、草酸铵、氯化铵、硝酸铵、硫酸铵、碳酸铵中的至少一种。5.根据权利要求1-3任一项所述的电解液，其特征在于：所述电解液的pH值为5-8，电解液的离子电导率为5-60mScm-1。6.一种采用权利要求1-5任一项所述的电解液的微弧氧化方法。7.根据权利要求6所述的微弧氧化方法，其特征在于：所述电解液的温度控制在20℃-50℃；所述微弧氧化方法使用的电源为脉冲电源，脉冲电源处理参数为，恒流模式下，电流密度3-10A/dm2、处理时间1-30m...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠振，季顺平，翁宇昌，马正永，林海，潘锋，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44