CN103276435A - 铝或铝合金表面微纳米加工方法及铝或铝合金结构 - Google Patents

Abstract

一种铝或铝合金表面的微纳米加工方法，包括以所述铝或铝合金作为阳极放入含有盐酸、硫酸、磷酸和缓蚀剂的电解液中进行直流电化学腐蚀的步骤，其中盐酸的浓度为1.5～3mol/L，硫酸的浓度为0.9～1.2mol/L，磷酸的浓度为0.6～1mol/L。一种铝或铝合金与塑胶一体化方法，包括以下步骤：使用所述的微纳米加工方法在铝或铝合金表面加工出微纳米多孔结构；利用所述微纳米多孔结构将塑胶与铝或铝合金表面紧密地结合在一起。一种铝或铝合金结构，其表面具有使用所述的微纳米加工方法而形成的微纳米多孔结构。使用该方法，微纳米孔洞加工效率高，质量好，且十分环保。

Description

铝或铝合金表面微纳米加工方法及铝或铝合金结构

技术领域

本发明涉及铝或铝合金表面加工技术领域，特别是涉及一种铝合金表面的微纳米加工方法、铝或铝合金与塑胶一体化方法及铝或铝合金结构。

背景技术

纳米成型技术就是用化学或者电化学的手段把金属的表面侵蚀出纳米孔洞，通过选择特殊的刻蚀液，使金属表面出现类似于珊瑚礁状的微纳米多孔结构。然后将已经处理过的金属件放进模具内，进行模内射出成型，直接将塑胶成分注射到金属表面并凝固，通过微纳米多孔结构的机械锁合作用，将塑胶与金属表面紧密地结合在一起。最后，由模内取出的注塑件可以进行金属表面所有的修饰加工。金属表面经过这样的微纳米处理，可实现金属与塑胶的平面粘结，省略了金属-塑胶的粘结工艺。该纳米成型技术要应用于金属与塑胶的一体化结合。现有的铝合金表面微纳米处理过程中，使用的刻蚀液中含大量对环境污染的有机成分,加工出纳米孔洞的效率和效果也一般。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铝或铝合金表面的微纳米加工方法，有效地解决有机物的环境污染问题，同时提高微纳米孔洞加工效率，并改善加工质量。

另一目的是提供一种铝或铝合金与塑胶一体化方法，具有上述优点。

又一目的是提供一种铝或铝合金结构，其表面具有通过上述方法形成的微纳米孔洞。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种铝或铝合金表面的微纳米加工方法，包括以所述铝或铝合金作为阳极放入含有盐酸、硫酸、磷酸和缓蚀剂的电解液中进行直流电化学腐蚀的步骤，其中盐酸的浓度为1.5～3mol/L，硫酸的浓度为0.9～1.2mol/L,磷酸的浓度为0.6～1mol/L。

可进一步采用以下一些技术方案：

缓蚀剂的浓度为0.5～2.0g/L。

缓蚀剂可以是有机物缓蚀剂如硫脲、甲基纤维素、吗啉、丁胺，环己胺、环己醇、乙烯二胺、三乙烯四胺及它们的衍生物，或是无机盐如硫酸铜、碘化钾、溴化钾等。

腐蚀电流密度为0.1～0.4A/cm²，腐蚀液温度为25℃～70℃，通电腐蚀时间为10s～100s。

更优地，腐蚀液温度为40℃～70℃，通电腐蚀时间为30s～80s。

在进行直流电化学腐蚀之前，用碱液对铝或铝合金表面进行处理。

将铝或铝合金表面在质量浓度为2%-4%的NaOH溶液中浸泡2～6分钟。

在进行直流电化学腐蚀之前，用酸液对铝或铝合金表面进行处理。

将铝或铝合金表面在质量浓度为1%-4%的HNO₃溶液中浸泡1～4分钟。

一种铝或铝合金与塑胶一体化方法，包括以下步骤：

使用所述的微纳米加工方法在铝或铝合金表面加工出微纳米多孔结构；

利用所述微纳米多孔结构将塑胶与铝或铝合金表面紧密地结合在一起。

一种铝或铝合金结构，其表面具有使用所述的微纳米加工方法而形成的微纳米多孔结构。

本发明的有益技术效果：

本发明用含有1.5～3mol/L盐酸、0.9～1.2mol/L硫酸、0.6～1mol/L磷酸的无机酸组分以及缓蚀剂的电解液对铝或铝合金进行直流电化学腐蚀，获得微纳米多孔结构的孔洞分布均匀一致，并且加工起来快速高效，另一方面，还彻底消除了以往所使用的刻蚀液中含有的有机成分而易对环境造成污染问题。本发明的加工方法具有快速、安全、工序简洁化且可控性好的优点。利用本发明在铝或铝合金表面形成的微纳米多孔结构，更有利于铝或铝合金结构与塑料一体化，注塑成型后可获得具有较高结合强度的金属塑胶组件，环保、高效地实现铝合金与塑胶的一体化复合制备。

根据较佳的实施例，针对含上述特别的无机酸组分的电解液，以25℃～70℃尤其是40℃～70℃的腐蚀液温度，使用0.1～0.4A/cm²的腐蚀电流密度持续通电腐蚀10s～100s，更佳30s～80s，可获得最优化的加工效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例所得的铝合金板（A5052）腐蚀电镜图；

图2为根据本发明实施例所得的铝合金板（A5052）腐蚀高倍电镜图；

图3为根据本发明实施例所得的铝合金板（A6063）腐蚀电镜图；

图4为根据本发明实施例所得的铝合金板（A6063）腐蚀高倍电镜图；

图5为根据本发明实施例所得的铝箔腐蚀电镜图；

图6为根据本发明实施例所得的铝箔腐蚀高倍电镜图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1，在一些具体实施例里，铝或铝合金表面的微纳米加工方法包括如下过程：

(1)试样准备工作

将铝或铝合金（例如1000－7000系铝合金）加工成要求的形状与尺寸，并根据产品设计配套的夹具。

(2)试样预处理

预处理过程可以采用如下方式：

1)可选取不同型号的砂纸打磨铝或铝合金表面，以除去铝或铝合金储存过程中生成的氧化层，获得新的表面，或可采用化学清洗的方法除去表面氧化层；

2)脱脂处理

可用清洁剂和水的溶液清洗铝或铝合金表面，以去除表面油污，接着用蒸馏水将其清洗干净，然而在120℃真空干燥箱中干燥。

3)碱液处理

可先将不需要刻蚀的部分用石蜡涂覆的方式保护起来，然后将铝或铝合金浸入NaOH溶液中浸泡若干分钟，NaOH质量浓度优选为2%-4%，浸泡优选为2-6分钟。

4)酸液处理

将铝或铝合金浸入HNO3溶液中浸泡若干分钟，HNO3质量浓度优选为1%-4%，浸泡优选为1-4分钟。

由于铝或铝合金表面的状态对后续的腐蚀工艺具有重要影响，采用上述步骤对铝或铝合金表面进行预处理，可以有效清除表面油污及氧化层，并活化表面，提高后续电化学腐蚀的效果。

（3）直流电化学腐蚀

此步骤是铝合金表面微纳米刻蚀的关键。以盐酸＋硫酸＋磷酸配制一定浓度电解液,其中盐酸的浓度为1.5～3mol/L，硫酸的浓度为0.9～1.2mol/L,磷酸的浓度为0.6～1mol/L，且添加有适量的缓蚀剂，优选为0.5～2.0g/L的浓度，针对上述配方的电解液可达到最优的缓蚀效果。将预处理完毕的铝合金试样作为阳极放入电解液中，阴极可以采用惰性石墨或铂电极等，控制刻蚀液温度为25℃～70℃，更优选为40℃～70℃，施加直流电流密度为0.1A/cm²～0.4A/cm²，通电10s～100s，更优选为30s～80s。

(4)后处理

腐蚀完毕后可以实施后处理以进行清洁和干燥，例如，把经过直流电化学腐蚀的铝箔先用蒸馏水进行清洗，然后可以放入酒精或丙酮中浸泡数秒，再在70℃烘箱中烘干。

通过上述实施例的铝或铝合金表面纳米加工过程，可快速地使铝或铝合金表面产生孔径为50纳米-20微米、均匀分布的微纳米孔，从而实现铝或铝合金表面的环保、高效、高品质的纳米成型。

另一些实施例是关于一种铝或铝合金与塑胶一体化方法，该方法包括以下步骤：

使用所述的微纳米加工方法在铝或铝合金表面加工出微纳米多孔结构；

利用所述微纳米多孔结构将塑胶与铝或铝合金表面紧密地结合在一起。

又一些实施例里是关于一种铝或铝合金结构，其表面具有使用所述的微纳米加工方法而形成的微纳米多孔结构。

以下通过几个实例更进一步地展示本发明的特征及优点。

实例1

购入市售的2mm厚的A5052铝合金板，使用线切割将铝合金均匀切割成20mmx10mm的铝片。按顺序选取型号为360#、600#、800#的铁砂纸进行打磨处理。磨制时，每换一道砂纸，试样必须旋转900以保证将前道工序留下的划痕全部磨掉，使磨样厚度达到约5um水平，然后使用乙醇溶液在超声波中清洗10分钟，去除表面油污，接着用去离子水将其清洗干净，在120℃干燥箱中干燥。

用离子交换水配制质量浓度为2%的NaOH溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述铝合金片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理2分钟，接着用去离子水将铝合金片清洗干净。

接着用离子交换水稀释质量浓度为1%的HNO3溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述铝合金片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理4分钟。接着用去离子水将铝合金片清洗干净。

然后将铝合金片作为阳极，以石墨片作为阴极，电解槽中盛入1.5mol/L的盐酸、0.9mol/L的硫酸、0.6mol/L的磷酸混合液作为电解液，加入一定的缓蚀剂，以恒压直流电源控制电流密度为0.15A/cm²，电解液温度为40℃，通电30s。接着用去离子水将铝合金片清洗干净，然后放入丙酮中浸泡5s，在70℃烘干箱中烘干。腐蚀电镜照片如图1和图2所示。从腐蚀电镜照片可见，刻蚀表面上获得的粗孔孔径在1-3微米，纳米孔径为30-50纳米的大量纳米孔洞均匀分布。

实例2

购入市售的2mm厚的A6063铝合金板，使用线切割将铝合金均匀切割成20mm×10mm的铝片。每片铝合金片上开一小孔，按顺序选取型号为360#、600#、800#的铁砂纸打磨表面。打磨时，每换一道砂纸，试样旋转900以保证将前道工序留下的划痕全部磨掉，使试样表面去除厚度达到约5um的水平，然后使用乙醇溶液在超声波中清洗10分钟，去除表面油污，接着用去离子水将其清洗干净，在120℃干燥箱中干燥

用离子交换水配制质量浓度为2%的NaOH溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述铝合金片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理2分钟，接着用去离子水将铝片清洗干净。

接着用离子交换水配置质量浓度为1%HNO3和0.5%HF混合溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述铝合金片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理1分钟。接着用去离子水将铝合金片清洗干净。

然后把铝合金片作为阳极，在2mol/L的盐酸、0.9mol/L的硫酸、0.8mol/L的磷酸、2.0g/L聚乙二醇、1.5g/L硫脲混合而成的电解液中处理70s，腐蚀电流密度为0.3A/cm²，电解液温度为60℃。接着用去离子水将铝片清洗干净，放入丙酮中浸泡5s，然后在70℃烘干箱中烘干。腐蚀电镜照片如图3和图4所示。从腐蚀电镜照片可见，刻蚀表面上获得的粗孔孔径在1-3微米，纳米孔径为20-40纳米的大量纳米孔洞均匀分布。

实例3

购入市售的铝箔，裁剪成20mm×10mm的薄片。每片薄片上开一小孔，直接用800#的铁砂纸打磨表面，然后使用乙醇溶液在超声波中清洗10分钟，去除表面油污，接着用去离子水将其清洗干净，在120℃干燥箱中干燥

用离子交换水配制质量浓度为1.5%的NaOH溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述铝箔片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理2分钟，接着用去离子水将铝箔片清洗干净。

接着用离子交换水配置质量浓度为1%的HNO3溶液100ml,用水浴加热到40℃，将前述碱洗的铝箔片以悬挂的方式在此溶液中浸渍处理1分钟。接着用去离子水将铝箔片清洗干净。

然后以铝箔片作为阳极，将石墨片作为阴极，在刻蚀液组成为2mol/L盐酸、0.9mol/L的硫酸、0.6mol/L的磷酸、0.4g/L三乙烯四胺的电解液中，保持温度为60℃，加载直流电流0.15A/cm²处理70s。接着用去离子水将铝箔片清洗干净，放入丙酮中浸泡5s，然后在70℃烘干箱中烘干。腐蚀电镜照片如图5，图6所示。从腐蚀电镜照片可见，刻蚀表面上获得的粗孔孔径在1-5微米，纳米孔径为30-60纳米的大量纳米孔洞均匀分布。

而经其他大量实例验证（此处不再赘述），本发明的电解液中，盐酸的浓度在1.5～3mol/L，硫酸的浓度在0.9～1.2mol/L,磷酸的浓度在0.6～1mol/L都是可行的，而使用本发明的电解液，当采用低至25℃的腐蚀液温度，低至0.1A/cm²的腐蚀电流密度，持续通电腐蚀短至10s的情况下，虽然加工出孔洞的效果并非最为理想，但也都能获得形状和分布较好的纳米孔洞结构。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种铝或铝合金表面的微纳米加工方法，其特征在于,包括以所述铝或铝合金作为阳极放入含有盐酸、硫酸、磷酸和缓蚀剂的电解液中进行直流电化学腐蚀的步骤，其中盐酸的浓度为1.5～3mol/L，硫酸的浓度为0.9～1.2mol/L,磷酸的浓度为0.6～1mol/L。

2.如权利要求1所述的微纳米加工方法，其特征在于,缓蚀剂的浓度为0.5～2.0g/L，缓蚀剂可以是有机物缓蚀剂如硫脲、甲基纤维素、吗啉、丁胺，环己胺、环己醇、乙烯二胺、三乙烯四胺及它们的衍生物，或是无机盐如硫酸铜、碘化钾、溴化钾。

3.如权利要求1或2所述的微纳米加工方法，其特征在于,腐蚀电流密度为0.1～0.4A/cm²，腐蚀液温度为25℃～70℃，通电腐蚀时间为10s～100s。

4.如权利要求3所述的微纳米加工方法，其特征在于,腐蚀液温度为40℃～70℃，通电腐蚀时间为30s～80s。

5.如权利要求1至4任一项所述的微纳米加工方法，其特征在于,在进行直流电化学腐蚀之前，用碱液对铝或铝合金表面进行处理。

6.如权利要求5所述的微纳米加工方法，其特征在于,将铝或铝合金表面在质量浓度为2%-4%的NaOH溶液中浸泡2～6分钟。

7.如权利要求1至6任一项所述的微纳米加工方法，其特征在于,在进行直流电化学腐蚀之前，用酸液对铝或铝合金表面进行处理。

8.如权利要求7所述的微纳米加工方法，其特征在于,将铝或铝合金表面在质量浓度为1%-4%的HNO₃溶液中浸泡1～4分钟。

9.一种铝或铝合金与塑胶一体化方法，其特征在于,包括以下步骤：

使用权利要求1至8任一项所述的微纳米加工方法在铝或铝合金表面加工出微纳米多孔结构；

利用所述微纳米多孔结构将塑胶与铝或铝合金表面紧密地结合在一起。

10.一种铝或铝合金结构，其特征在于,其表面具有使用权利要求1至8任一项所述的微纳米加工方法而形成的微纳米多孔结构。

Images