CN102230204A

CN102230204A - 一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法

Info

Publication number: CN102230204A
Application number: CN2011101719973A
Authority: CN
Inventors: 石绪忠; 陈派明; 王岳; 余向飞
Original assignee: 725th Research Institute of CSIC
Current assignee: 725th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-06-24
Filing date: 2011-06-24
Publication date: 2011-11-02

Abstract

本发明介绍了一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，首先对纯铝进行除油处理，然后进行微弧氧化，在微弧氧化的同时施加超声场，最后进行干燥处理。本发明的方法在超声波和微弧氧化组合后的纯铝的氧化过程中，超声波可以起到搅拌溶液的作用，减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，抑制过大电火花的出现，防止局部氧化膜的过快生长；与不加超声波相比，可以减小铝氧化膜厚度，并提高氧化膜抗交流电压击穿值，从而使氧化膜在干燥环境中的交流电击穿强度提高约15％～32％，在潮湿环境中的交流电击穿强度提高约10％～17％。

Description

一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法

技术领域

本发明涉及一种铝表面处理技术，特别是一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法。

背景技术

在电子产业中，基板是电子元器件重要的组成部分。电子基板提供集成电路等各种电子元器件固定、组装的机械支撑，可实现元器件的自动化安装。它实现集成电路等各种电子元器件之间的电气连接或电绝缘，提供所要求的电器特性。随着电子产品向着高集成度、高可靠性等方向发展，对基板的绝缘与散热性能要求愈来愈高。纯铝基板在这方面的应用具有很大优势，因为纯铝具有优异的导热性能，并且能容易地应用电化学氧化的方法进行表面处理，生成一层很薄但具有很高绝缘性能的氧化膜。

电击穿强度是指在均匀电场下使单位厚度的电介质击穿的电压值。电击穿强度越高，表明电介质的绝缘性越好。目前纯铝表面的绝缘性电化学氧化处理方法主要有阳极氧化和微弧氧化。两者的区别在于两者膜层的形成机理有很大不同，并由此导致它们的制备工艺和膜层性能的区别。

阳极氧化是一种电化学氧化工艺，将需要进行阳极氧化的工件连接直流电源的正端作阳极，另一种不起反应的金属或石墨电极连接直流电源的负端作阴极浸入适当的电解液中，当电流通过电解质溶液时，负电荷离子向阳极移动并在阳极放电，该过程伴随原子氧的产生并形成氧化物膜层。纯铝阳极氧化的电压较低，一般为十几伏到几十伏。微弧氧化又称微等离子氧化、阳极火花沉积，是在普通阳极氧化基础上，进一步提高电压，使电压超出法拉第区，达到了金属阳极表面生长的钝化氧化膜的击穿电压，这时在阳极上可以观察到弧光放电现象，大量火花在阳极表面游动，弧光放电产生瞬时的高温高压作用，引起各种热化学反应，在阳极表面生长一层厚的陶瓷氧化膜层。纯铝微弧氧化的电压一般在300V以上。

文献1：“理想绝缘金属基板前处理工艺的研究”，发表于《稀有金属材料与工程》，第33卷，第4期，2004年4月，432-435页；该文献采用阳极氧化对纯铝进行阳极氧化，并研究了相应的绝缘电阻和击穿电压，其阳极氧化绝缘层的电阻率大于10¹³ W×cm，击穿电压大于600 V。

文献2：“金属铝基板表面微弧氧化绝缘化处理与介电性能”，发表于《第四届中国热处理活动周暨第九届江苏省热处理年会论文集》，2006年5月，357-360页；该文献用微弧氧化的方法对金属铝基板表面进行绝缘化处理，微弧氧化膜层的绝缘电阻率为6.5×10¹²W×cm。

现有技术中，文献3“影响铝微弧氧化陶瓷层电绝缘性的工艺因素探讨”，发表于《材料开发与应用》，第17卷，第4期，2002年8月，22-28页。“研究了工艺参数对电工纯铝微弧氧化陶瓷层电绝缘性能的影响规律。分析认为，绝缘性能提高的根本原因是陶瓷层厚度和致密性的增加；超过临界参数后，陶瓷层厚度和致密性有所下降，击穿电压也随之下降。

申请号为02137751.0的发明专利，名称为：镁合金超声波阳极氧化方法，通过在现有镁合金阳极氧化方法采用的电解液中加入稳定剂，并在镁合金阳极氧化过程中施加超声场，超声场起到产生OH^-离子和双氧水H₂O₂的作用，利用超声波提高反应速度，并为氧化反应提供所需的原子氧。该发明的方法可以减小阳极氧化膜层的孔隙直径，提高镁合金阳极氧化膜层的生长速度和膜层光洁度，进而提高镁合金的耐蚀性能。

文献4：“超声场条件下制备的镁合金阳极氧化膜层的特性”，发表于《2004年中国镁业发展高层论坛论文集》，2004年6月，149-157页；该文献研究了功率超声场在镁合金阳极氧化中的作用，研究结果表明，超声场可以提高阳极氧化膜层的生长速率。当无超声场或者超声功率为280W时，AZ31镁合金在氢氧化钾，氟化钾，铝酸钠和焦磷酸钠溶液中的阳极氧化膜层仅由一层组成。当超声功率为400W时，膜层将由两层组成，内层均匀致密且富含元素铝和氟；外层比内层厚，但厚度不均匀，而且铝和氟的含量很低。不管超声场存在与否，AZ31镁合金阳极氧化膜层的相组成均为MgO和Al₂O₃。

文献5：“超声波对铝阳极氧化工艺及膜层性能的影响”，发表于《电镀与涂饰》，第25卷，第5期，2006年5月，42-44页；文献介绍了将超声波应用于铝的阳极氧化处理，研究了超声波对阳极氧化特性曲线、电解工艺参数和膜层形貌的影响。结果表明，超声波能增加氧化膜的生长速率，提高阳极氧化温度与氧化电流密度的上限值，可实现在较高温度和大电流密度下对铝进行阳极氧化。超声波作用下获得的铝氧化膜层表面孔隙率低，膜层均匀，膜的厚度与硬度都比不加超声波体系有明显提高。

然而，上述涉及铝合金绝缘性氧化的文献1、2、3中关于铝的绝缘性氧化，无论是阳极氧化还是微弧氧化，均未在氧化过程中施加超声波。申请号为02137751.0的发明专利和文献4中阳极氧化或微弧氧化过程中采用了超声波，但基材是针对镁及镁合金，且不是以电绝缘为目的。文献5研究了超声波对铝阳极氧化工艺及膜层表面孔隙率、均匀性、厚度与硬度性能的影响，但该文献采用的是阳极氧化工艺，且未研究氧化膜的抗击穿电压性能。

因此，上述背景技术中未在铝的微弧氧化中将超声波技术和微弧氧化技术结合起来，也未研究相应的氧化膜的电击穿强度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，克服上述背景技术的不足，引入除微弧氧化以外的其它能量方式，利用超声波产生的超声空化作用，提高铝微弧氧化膜的电击穿强度。

为了实现解决上述技术问题的目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，首先对纯铝进行除油处理，然后进行微弧氧化，在微弧氧化的同时施加超声场，最后进行干燥处理，其具体步骤为：

A、除油处理：将纯铝表面清除至表面无油污；

B、微弧氧化：微弧氧化电解质溶液采用碱性溶液，其配方中包括偏铝酸钠、氢氧化钾和硅酸钠；阴极采用不锈钢；采用功率可调型超声波清洗器作为超声场源；

在超声波清洗器的清洗槽中加入水，在微弧氧化的氧化槽中加入一定量的电解质溶液，将盛有电解质溶液的氧化槽放入已加入水的超声波清洗槽中，在开始通电氧化的同时，启动所施加的超声场，向氧化槽施加超声波；

C、干燥处理：氧化完毕的试样用水冲洗并干燥。

本发明的超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，优选的除油处理是可以选择先用有机溶剂将纯铝表面的油污擦拭干净；随后纯铝在脱脂溶液中浸泡除油，并水洗。所述的脱脂溶液可以是具有脱除油脂能力的水溶液或者水分散液。

进一步的，所述的超声波设备为功率可调型超声波清洗器。

更进一步的，所述的电解质溶液配比组成为偏铝酸钠0.1-1 g/L，氢氧化钾0.5-5 g/L，硅酸钠2-15g/L。

更进一步的，所述的通电氧化时间为15~100min 。

脱脂溶液可以为开封市安迪电镀化工有限公司生产的Q110脱脂王溶液。优选的脱脂溶液浓度为20-150g/L。

所述的微弧氧化又称微等离子体氧化，是通过电解液与相应电参数的组合，在铝及其合金表面依靠弧光放电产生的瞬时高温高压作用，生长出以基体金属氧化物为主的陶瓷膜层。微弧氧化在普通阳极氧化的基础上，利用弧光放电增强并激活在阳极上发生的反应，从而在以铝、钛、镁金属及其合金为材料的工件表面形成优质的强化陶瓷膜，其原理是通过用专用的微弧氧化电源在工件上施加电压，使工件表面的金属与电解质溶液相互作用，在工件表面形成微弧放电，在高温、电场等因素的作用下，金属表面形成陶瓷膜，达到工件表面强化的目的。微弧氧化工艺将工作区域由普通阳极氧化的法拉第区域引入到高压放电区域，克服了硬质阳极氧化的缺陷，极大地提高了膜层的综合性能。微弧氧化膜层与基体结合牢固，结构致密，韧性高，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温冲击和电绝缘等特性。

这些技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：

由于采用了上述工艺方案，本发明具有如下优越性：在超声波和微弧氧化组合后的纯铝的氧化过程中，超声波可以起到搅拌溶液的作用，减少金属与电解质溶液相界面处的浓度梯度，使电流分布更加均匀，抑制过大电火花的出现，防止局部氧化膜的过快生长。本发明的超声波和微弧氧化组合的方法，与不加超声波相比，可以减小铝氧化膜厚度，并提高氧化膜抗交流电压击穿值，从而使氧化膜在干燥环境中的交流电击穿强度提高约15％～32％，在潮湿环境中的交流电击穿强度提高约10％～17％。

具体实施方式

实施例一

将尺寸为70 mm×70 mm×0.5 mm的纯铝试样用含丙酮的脱脂棉将纯铝表面擦拭干净；随后在30 ℃，50 g/L的Q110脱脂王（开封市安迪电镀化工有限公司生产）溶液中浸泡除油5分钟，并水洗。

微弧氧化槽的尺寸为23 cm×16 cm×15 cm（深），氧化溶液体积为4 L，溶液采用碱性溶液，其配方为偏铝酸钠0.3 g/L，氢氧化钾2 g/L，硅酸钠6 g/L。

采用设备WHD-300 微弧氧化电源，阴极采用不锈钢阴极。具体电参数为电流密度为8 A/dm²，工作频率为100 Hz，占空比为60%，正负脉冲数为5：1。

超声波设备采用KQ-500DV型数控超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司），超声波工作频率为40 KHz，输入超声电功率为500 W。超声波清洗槽的尺寸为50×30×18（深）cm。

在超声波清洗器的清洗槽中加入15 L的自来水，托架放入清洗槽中，在氧化槽中加入4 L的溶液，将氧化槽放到超声波清洗器中的托架上，清洗槽中的自来水和氧化槽中的溶液由氧化槽实现物理隔离。设定好超声输出功率为500W。在开始通电氧化的同时，启动所施加的超声场。氧化时间为30分钟。

氧化完毕的试样用流动水冲洗，并用热空气吹干。

用TT260膜层测厚仪（北京时代公司生产）测量氧化膜的厚度，选十个部位测试，平均厚度为16.3 μm。采用CJ2671S耐压测试仪（南京长江无线电厂生产），交流电频率为50 Hz。在环境湿度为20％的干燥条件下，交流模式下的击穿电压为448 V，电击穿强度为27.5 V/μm；在环境湿度为75％的潮湿条件下，交流模式下的击穿电压为418 V，电击穿强度为25.6 V/μm。

实施例二

实施例二中的微弧氧化工艺，除了超声输出功率与实施例一不同外，其它参数均与实施例一相同。实施例二中的超声输出功率见表1。

用TT260膜层测厚仪测量氧化膜的厚度，选十个部位测试，平均厚度为15.6 μm。采用CJ2671S耐压测试仪，交流电频率为50 Hz。在环境湿度为20％的干燥条件下，交流模式下的击穿电压为403 V，电击穿强度为25.8 V/μm；在环境湿度为75％的潮湿条件下，交流模式下的击穿电压为349 V，电击穿强度为22.4 V/μm。

实施例三

实施例三中的微弧氧化工艺，除了超声输出功率与实施例一不同外，其它参数均与实施例一相同。实施例三中的超声输出功率见表1。

用TT260膜层测厚仪测量氧化膜的厚度，选十个部位测试，平均厚度为15.3μm。采用CJ2671S耐压测试仪，交流电频率为50Hz。在环境湿度为20％的干燥条件下，交流模式下的击穿电压为401V，电击穿强度为26.2V/μm；在环境湿度为75％的潮湿条件下，交流模式下的击穿电压为372V，电击穿强度为24.3V/μm。

对比例

对比例中的微弧氧化工艺，除了氧化过程中不施加超声波外，其它参数均与实施例一相同，具体见表1。

用TT260膜层测厚仪测量氧化膜的厚度，选十个部位测试，平均厚度为17.1μm。采用CJ2671S耐压测试仪，交流电频率为50Hz。在环境湿度为20％的干燥条件下，交流模式下的击穿电压为400V，电击穿强度为23.4V/μm；在环境湿度为75％的潮湿条件下，交流模式下的击穿电压为331V，电击穿强度为19.4V/μm。

表1 微弧氧化过程中的超声功率比例和氧化膜的电击穿强度

Claims

1.一种超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：在纯铝微弧氧化的同时施加超声场，利用超声波的超声空化，提高铝微弧氧化膜的电击穿强度,

其具体步骤为：

A、除油处理：将纯铝表面清除至表面无油污；

C、干燥处理：氧化完毕的试样用水冲洗并干燥。

2.根据权利要求1所述超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：除油处理先用有机溶剂将纯铝表面的油污擦拭干净；随后纯铝在脱脂溶液中浸泡除油，并水洗。

3.根据权利要求2所述超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：所述的脱脂溶液可以是具有脱除油脂能力的水溶液或者水分散液。

4.根据权利要求1所述超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：所述的超声波设备为功率可调型超声波清洗器。

5.根据权利要求1所述超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：电解质溶液配比组成为偏铝酸钠0.1-1 g/L，氢氧化钾0.5-5 g/L，硅酸钠2-15g/L。

6.根据权利要求1所述超声波和微弧氧化组合制备铝氧化膜的方法，其特征是：所述的通电氧化时间为15~100min。