CN105297106A - 一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,包括将高纯铝片清洗后进行电化学抛光;以抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,以草酸-乙醇-水混合溶液为电解液来进行阳极氧化过程,通过在恒定电流密度下进行自适应升压来获得高阳极氧化电压;阳极氧化得到的样品经饱和氯化铜溶液浸泡后得到大孔间距多孔阳极氧化铝膜,通过调节乙醇添加比例、阳极氧化电压及电流密度,对所制备多孔阳极氧化铝膜的平均孔间距进行调控。本发明所制备的多孔阳极氧化铝膜具有大孔间距且尺寸可调,使其可以作为模板来合成各种功能性亚微米、微米材料。同时,其具有原材料易获取、操作简单、成本低廉、重复性好等优势,提高了其应用于生产的可行性。
Description
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域,具体涉及一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法。
背景技术
近年来由于工业的迅猛发展需要大量的功能材料,而自然界中存在的天然功能材料已远远不能满足工业发展的需求,因此,材料的人工合成技术受到了越来越多的重视。人工合成材料常用的方法主要有模板法和直接合成法,其中模板法被广泛用来合成各种纳米功能材料,例如纳米点、纳米线、纳米管等。相比于直接合成法,模板法具有制作工艺简单,可控性高,重复性好等优点。考虑到目前亚微米、微米功能材料在太阳能电池、能量存储及光学领域获得了广泛的应用。因此寻找合适的多孔模板来制备亚微米、微米级功能材料具有重要的科学意义和研究价值。
目前所使用的亚微米、微米多孔模板主要来源于天然材料或光刻制备工艺,存在着原材料难以获取、设备及工艺复杂、成本昂贵等不足,这些问题一直没有很好的解决办法。考虑到多孔阳极氧化铝膜具有许多优点:重复性好、可靠性佳,结构参数可调等优点。因此利用多孔阳极氧化铝膜作为模板来制备各种微纳米功能材料获得了科研人员的广泛关注。由于阳极氧化铝膜的最大孔径由结构单元的孔间距决定,因此寻找合适的方法来制备具有大孔间距的多孔阳极氧化铝膜成为了解决问题的关键。但目前制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜仍存在问题,由于多孔阳极氧化铝膜的孔间距和电压成正比,所以需要在高电压下进行制备。然而提高阳极氧化电压容易产生膜的击穿和燃烧现象。因此,寻找合适的方法克服目前存在的不足,基于铝的阳极氧化过程来开发具有实用性的大孔间距多孔阳极氧化铝膜具有重要意义。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺点与不足,本发明提供一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法。
本发明采用如下技术方案:
一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,包括如下步骤:
(1)将高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗,从而得到干净的铝片;
(2)以步骤(1)得到的干净铝片为阳极,石墨为阴极,在0~5℃下高氯酸和无水乙醇体积比为1:4~5的混合溶液中15~25V电压下进行电化学抛光,得到抛光的铝片;
(3)以步骤(2)得到的抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,草酸-乙醇-水混合溶液为电解液来进行阳极氧化过程,阳极氧化温度为1~4℃,得到带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜;所述阳极氧化过程如下:先采用恒电流密度升压,设定电流密度为20~50mA/cm2,当电压上升到700~1000V时进入恒电压阳极氧化阶段;当电流密度下降到6~20mA/cm2时停止阳极氧化反应;
(4)将步骤(3)得到的带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜置于饱和氯化铜溶液中进行置换反应,之后用去离子水进行清洗,得到高电压制备的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。
所述步骤(1)中,所述高纯铝片的质量分数≥99.99%。
所述草酸-乙醇-水混合溶液为无水乙醇和0.25~0.35mol/L的草酸溶液的体积比值为1~4的混合溶液。
所述高氯酸和无水乙醇体积比为1:4~5。
所述电化学抛光的温度为0~5℃。
所述电化学抛光的电压为15~25V。
本发明的有益效果:
(1)本发明通过使用不同的恒定电流密度、在不同乙醇添加比例的电解液中施加700~1000V高电压来进行阳极氧化,有效抑制了高电压、大电流密度阳极氧化过程中膜的击穿和燃烧现象,实现了大孔间距多孔阳极氧化铝膜的可控制备。
(2)本发明通过对乙醇的添加比例、电压以及限定电流密度进行简单调节即可对所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的孔间距大小进行调控,具有操作方便、可靠性佳、重复性好等优点。
(3)本发明具有工艺简单、成膜速度快、成本低廉、重复性好等优势,提高了其应用于生产的可行性。
附图说明
图1是本发明实施例1中铝阳极氧化过程的电压曲线和电流密度曲线图。
图2为实施例1中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。
图3为实施例2中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。
图4为实施例3中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明作进一步地详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,所述大孔间距一般认为超过300nm,包括如下步骤:
(1)将质量分数≥99.99%的高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗,从而得到干净的铝片。
(2)以步骤(1)得到的干净铝片为阳极,石墨为阴极,在0℃下高氯酸和无水乙醇体积比为1:4的混合溶液中20V电压下进行电化学抛光,得到抛光的铝片。
(3)以步骤(2)得到的抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,电压为1000V,电流密度设置为40mA/cm2,溶液A(无水乙醇)和溶液B(0.25mol/L草酸水溶液)的体积比值为A:B=2的混合溶液来进行阳极氧化过程,温度为1℃。图1为实施例1中铝的阳极氧化过程电流和电压曲线图,可以看到在恒电流密度阳极氧化的起始阶段电压瞬间达到约294V后迅速下降到约247V,之后进入自适应升压过程,直到接近1000V时电流和电压出现大幅度波动,最后电压稳定在1000V继续恒电压阳极氧化过程,直到电流密度下降到20mA/cm2停止实验,得到带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。恒电流密度自适应升压过程对获得高阳极氧化电压是至关重要的,传统的升压过程例如线性升压过程在电压升高到敏感电压点时会诱发电子的雪崩现象,导致电流的急剧增大并发生阳极氧化铝膜的燃烧和击穿现象。而采用恒电流密度自适应升压则可以始终将电流密度控制在可控范围内,得到可控的电子雪崩过程,使多孔阳极氧化铝膜的阻挡层可以及时得到修补,从而获得更高的耐压值。此外,适量无水乙醇的添加除了可以增大电解液的电阻率,降低电解液的沸点之外,还可以使电解质的电离常数减小,从而使掺杂电流减小,在其它阳极氧化条件保持不变的情况下获得更高的最大可施加阳极氧化电压值。图1中的数据是用型号为Keithley2010的数字万用表测量得到的。
(4)将步骤(3)得到的带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜置于饱和氯化铜溶液中进行置换反应,之后用去离子水进行清洗,得到高电压制备的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。图2为实施例1中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。测量结果显示所得到多孔阳极氧化铝膜的结构单元平均尺寸(数值上等于平均孔间距)约为1.8微米。图2是通过以下条件所得到的:首先将实施例1中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜进行溅射喷金处理,然后用型号为LEO1530VP的场发射扫描电子显微镜进行测试后得到。
实施例2:
一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,包括如下步骤:
(1)将质量分数≥99.99%的高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗,从而得到干净的铝片。
(2)以步骤(1)得到的干净铝片为阳极,石墨为阴极,在3℃下高氯酸和无水乙醇体积比为1:5的混合溶液中25V电压下进行电化学抛光,得到抛光的铝片。
(3)以步骤(2)得到的抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,在电压为700V,电流密度设置为50mA/cm2,溶液A(无水乙醇)和溶液C(0.3mol/L草酸水溶液)的体积比值为A:C=1的混合溶液来进行阳极氧化过程,温度为4℃:先在恒流条件下进行自适应升压过程,当电压达到700V进行恒电压阳极氧化,直至电流密度下降到10mA/cm2后停止实验,得到带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。
(4)将步骤(3)得到带有铝基底的超大孔间距多孔阳极氧化铝膜置于饱和氯化铜溶液中进行置换反应,之后用去离子水进行清洗,得到高电压制备的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。图3为实施例2中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。测量结果显示所得到多孔阳极氧化铝膜的平均孔间距约为1.2微米。图3是通过以下条件所得到的:首先将实施例2中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜进行溅射喷金处理,然后用型号为LEO1530VP的场发射扫描电子显微镜进行测试后得到。
实施例3:
一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,包括如下步骤:
(1)将质量分数≥99.99%的高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗,从而得到干净的铝片。
(2)以步骤(1)得到的干净铝片为阳极,石墨为阴极,在5℃下高氯酸和无水乙醇体积比为1:4的混合溶液中15V电压下进行电化学抛光,得到抛光的铝片。
(3)以步骤(2)得到的抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,在电压为900V,电流密度设置为20mA/cm2,溶液A(无水乙醇)和溶液D(0.35mol/L草酸水溶液)的体积比值为A:D=4的混合溶液的条件来进行阳极氧化过程,温度为2℃:先在恒流条件下进行自适应升压过程,当电压达到900V进行恒电压阳极氧化,直至电流密度下降到6mA/cm2后停止实验,得到带有铝基底的超大孔间距多孔阳极氧化铝膜。
(4)将步骤(3)得到的带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜置于饱和氯化铜溶液中进行置换反应,之后用去离子水进行清洗,得到高电压制备的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。图4为实施例3中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜背面阻挡层形貌扫描电镜图。测量结果显示所得到多孔阳极氧化铝膜的平均孔间距约为1.7微米。图4是通过以下条件所得到的:首先将实施例3中所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜进行溅射喷金处理,然后用型号为LEO1530VP的场发射扫描电子显微镜进行测试后得到。
近年来由于工业的迅猛发展需要大量的功能材料,而自然界中存在的天然功能材料已远远不能满足工业发展的需求,因此,材料的人工合成技术受到了越来越多的重视。人工合成材料常用的方法主要有模板法和直接合成法,其中模板法被广泛用来合成各种纳米功能材料,例如纳米点、纳米线、纳米管等。相比于直接合成法,模板法具有制作工艺简单,可控性高,重复性好等优点。考虑到目前亚微米、微米功能材料在太阳能电池、能量存储及光学领域获得了广泛的应用。因此寻找合适的多孔模板来制备亚微米、微米级功能材料具有重要的科学意义和研究价值。
目前所使用的亚微米、微米的多孔模板主要来源于天然材料或光刻制备工艺,存在着原材料难以获取、设备及工艺复杂、成本昂贵等不足,这些问题一直没有很好的解决办法。本发明针对这些问题,提出了一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法。通过在电解液中添加适量乙醇并应用恒电流过程来大幅提高阳极氧化电压(最高电压达到了1000V),有效抑制了高电压、大电流密度阳极氧化过程中阳极氧化铝膜的击穿和燃烧现象,实现了高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜。本发明通过对乙醇的添加比例、阳极氧化电压以及电流密度进行简单调节即可对所制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的孔间距大小进行调控,具有操作方便、成本低廉、可靠性佳、重复性好等优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式,但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制,其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化,均应为等效的置换方式,都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高电压制备大孔间距多孔阳极氧化铝膜的方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将高纯铝片依次置于无水乙醇和去离子水中进行清洗,从而得到干净的铝片;
(2)以步骤(1)得到的干净铝片为阳极,石墨为阴极,在0~5℃下高氯酸和无水乙醇体积比为1:4~5的混合溶液中15~25V电压下进行电化学抛光,得到抛光的铝片;
(3)以步骤(2)得到的抛光的铝片为阳极,石墨为阴极,草酸-乙醇-水混合溶液为电解液来进行阳极氧化过程,阳极氧化温度为1~4℃,得到带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜;所述阳极氧化过程如下:先采用恒电流密度升压,设定电流密度为20~50mA/cm2,当电压上升到700~1000V时进入恒电压阳极氧化阶段;当电流密度下降到6~20mA/cm2时停止阳极氧化反应;
(4)将步骤(3)得到的带有铝基底的大孔间距多孔阳极氧化铝膜置于饱和氯化铜溶液中进行置换反应,之后用去离子水进行清洗,得到高电压制备的大孔间距多孔阳极氧化铝膜。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(1)中,所述高纯铝片的质量分数≥99.99%。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述草酸-乙醇-水混合溶液为无水乙醇和0.25~0.35mol/L的草酸溶液的体积比值为1~4的混合溶液。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述高氯酸和无水乙醇体积比为1:4~5。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电化学抛光的温度为0~5℃。
6.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述电化学抛光的电压为15~25V。
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