功能性阳极氧化

译者前言
功能性阳极氧化，一直是近十几年来国际上的热门话题。其中，抗菌功能、绝缘功能和力学性能的提高，更是广受关注。
在此方向上我国相应开展的研究并不多，我们主要精力集中在铝普通建材和铝板的表面处理上。日本在这方面起步较早，并偏重于日用品和汽车行业的研究应用。美国功能膜的研究基本上多偏重于军工，其主要工艺参数也处于保密状态。我们现在翻译这本书，主要是为后继的研究学者及科研人员提供一个思路和参考。
随着能源节约的问题日益受到世界性关注，碳达峰和碳中和目标日益紧迫，铝的使用和普及也会更加广阔，在膜层上的技术要求也会越来越多，技术解决方案也会越来越多样化，希望我们能共同努力，让中国在这方面的研究可以走在世界前列。
在本书翻译过程中，赵正平先生做了大量实际工作，在此表示衷心感谢。

史宏伟




原著前言
本书依据Kallos 出版社铝综合性杂志Altobia 自2006 年10 月至2007年10 月连载12 次的《功能性阳极氧化》系列研究论文（研究及实用两个方面的相关研究）整理而成。
当今的铝阳极氧化膜基础性特征研究可以追溯到1846 年法拉第（Faraday）对铝阳极氧化可能性进行的探索，1924 年日本理化研究所的科研人员鲸井和植木两位完成了对耐热性电绝缘物的研究，1928 年宫田发明的高压水蒸气封孔处理技术极大提高了铝耐腐蚀性。上述研究成果对后世影响甚巨，此技术当时被命名为阳极氧化，时至今日仍是所有铝阳极氧化膜的代名词。阳极氧化作为轻结构材料—铝的技术应用手段，标志着铝基材应用由“重厚长大”跨入“轻薄短小”的时代。阳极氧化的应用促进了能源利用、资源节约，使铝材广泛应用于机械零部件、汽车零部件及航空零部件等领域。
阳极氧化技术诞生后，铝阳极氧化膜因具有电绝缘性、耐腐蚀性、耐磨性、染色性等基本性功能被广泛应用。科学技术的不断发展，对阳极氧化微细孔和氧化膜自身新功能开发提出了强劲需求，带来了功能性阳极氧化的发展契机，推动了功能性阳极氧化技术的发展壮大。阳极氧化形成的纳米级微细孔在精密度方面胜过其他任何金属。由此，开发出适应时代需求的产品的可能性得到极大提高。阳极氧化膜的特征是氧化膜厚度可控制为微米级，精度优于涂装、热喷涂等技术，非常适用于精密零部件加工。
本书所引用的关于铝阳极氧化研究的历史资料有：著名理化研究报告、重要的宫田论文及其他电绝缘性资料等。
另外，本书详细列举了铝合金材料和阳极氧化的关系、阳极氧化膜机械特性、抑制裂纹产生、追求耐磨性和功能性阳极氧化开发应用实例。碘是日本引以为傲的丰富矿藏，笔者研究的碘化物浸渍过的润滑阳极氧化膜、抗菌阳极氧化膜都有详细论述。本书研究的领域集中在提高多孔氧化膜的机械特性方向，其他领域的研究可能尚有不足之处，敬请各位读者海涵。
本书为铝表面处理阳极氧化及其功能研究的归纳总结，若能为后面功能性阳极氧化研究带来抛砖引玉的作用，自当万分荣幸。
最后，我们在研究探索过程中对相关科研人员的研究报告及技术资料多有引用，在此一并致谢。

高谷松文

《功能性阳极氧化》一书由日本铝阳极氧化领域有很高影响力的高谷松文先生执笔，汇集了众多研究学者和应用领域专家的理论和实践上的成果，包括铝阳极氧化膜的理论基础、功能性阳极氧化技术进步和应用的研究探索。书中采用了理论与实验相结合的方法进行展开，论证了阳极氧化膜功能性的实验结果和原理，展示了功能性氧化膜铝材在精密零部件、机械零部件、汽车零部件及航空零部件等行业的长足发展，对氧化膜的耐磨性、抗菌性、绝缘性、导电性、耐腐蚀性等功能进行了详细的介绍。
本书适合于铝材加工企业技术人员、铝合金表面处理的科研和教学人员阅读参考。

第1 章 表面粗糙化引起表面物理性质的变化001
1.1 概要 001
1.2 表面状态 001
1.3 表面粗糙化方法004
1.4 表面喷砂粗糙化处理后的物理性质006
1.4.1 喷砂处理导致的表面状态变化006
1.4.2 由表面粗糙化引起表面毛细管状现象007
1.4.3 表面粗糙化导致导热性质变化 008
1.5 用氯化亚铁进行表面粗糙化研究 010
1.6 总结 010
参考文献 011

第2 章 观察划痕实验导致铝阳极氧化膜表面缺陷012
2.1 概要 012
2.2 陶瓷和铝复合体 012
2.3 划痕缺陷引起局部变形的观察实验 014
2.3.1 实验方法 014
2.3.2 测定方法 014
2.3.3 实验结果及思考 015
2.4 结论 018
2.5 由铝阳极氧化膜的摩擦磨耗看表面构造 018
2.6 铝阳极氧化膜对抗划伤是否更有优势 019
2.7 总结020
参考文献020

第3 章 铝阳极氧化膜内应力021
3.1 概要 021
3.2 由阳极氧化膜的翘曲变形看其内应力存在实验 023
3.2.1 实验材料 023
3.2.2 阳极氧化工艺条件 023
3.2.3 试验评价 023
3.3 实验结果 024
3.3.1 无残余应力的铝箔表面上的阳极氧化膜的翘曲变形情况 024
3.3.2 有残余应力的铝箔表面上的阳极氧化膜的翘曲变形情况 025
3.4 阳极氧化膜的内应力和机械特性的变化 027
3.5 总结 027
参考文献 028

第4 章 铝阳极氧化膜摩擦/磨耗 029
4.1 概要 029
4.2 铝阳极氧化膜和其他表面处理法的比较031
4.3 耐摩擦/耐磨耗阳极氧化膜概念 033
4.4 提高耐磨耗性相关的实验 034
4.4.1 氧化膜致密化的影响 034
4.4.2 氧化膜硬化的影响 035
4.4.3 添加润滑剂可降低摩擦系数 037
4.5 阳极氧化膜弹性模量实测—星野等人的计算 039
4.6 总结 040
参考文献 040

第5 章 铝阳极氧化膜电绝缘性 041
5.1 概要041
5.2 由理研汇报和理化学研究所报告看研究开发的流程041
5.3 氧化膜的基本电气特性 043
5.3.1 击穿电压 043
5.3.2 固有电阻 043
5.3.3 介电常数043
5.3.4 作为电绝缘体的氧化膜湿度特性044
5.3.5 作为耐热性绝缘体初期的使用业绩047
5.4 现在使用状况 048
5.5 氧化膜的整流特性049
5.6 氧化膜的裂纹和绝缘体性050
5.7 总结 051
参考文献 051

第6 章 铝合金材料和硫酸阳极氧化膜 052
6.1 概要052
6.2 铝合金材料和硫酸阳极氧化膜054
6.2.1 铝合金电导率和阳极氧化处理性054
6.2.2 ADC12 材料的阳极氧化膜059
6.2.3 观察铝合金铸件产品的阳极氧化膜横截面060
6.2.4 观察硅元素在氧化膜中游离存在时的合金氧化膜横截面 061
6.2.5 观察各种铝合金的阳极氧化膜的表面 061
6.3 总结063
参考文献064

第7 章 碘化物浸渍铝阳极氧化膜—摩擦性能 065
7.1 概要065
7.2 碘及其化合物的润滑特性066
7.3 PVPI 浸渍制作润滑阳极氧化膜069
7.3.1 确认润滑剂PVPI 水溶液的润滑性069
7.3.2 PVPI 浸渍铝阳极氧化膜和润滑性评价实例070
7.4 总结074
参考文献074

第8 章 碘化物浸渍铝阳极氧化膜—抗菌性能 076
8.1 概要 076
8.2 微生物和细菌的分类 076
8.3 抗菌的定义 078
8.4 选择碘作为无机抗菌材料的理由 079
8.5 碘化物浸渍阳极氧化膜的制作 080
8.6 碘化物浸渍阳极氧化膜的评价 080
8.7 碘化物浸渍阳极氧化膜的抗菌性及抗霉菌性评价 080
8.7.1 抗菌试验方法 080
8.7.2 接触法抗菌性评价结果081
8.7.3 摇动法抗菌性评价结果081
8.7.4 Harrow 试验法抗菌性评价结果 082
8.7.5 抗霉菌性试验评价结果 082
8.8 总结 083
参考文献 083

第9 章 A 公司相关功能性阳极氧化开发实例084
9.1 概要 084
9.2 A 公司开发体制 085
9.3 A 公司开发功能性阳极氧化实例 087
9.3.1 阳极氧化膜多孔层填充功能性物质 087
9.3.2 氧化膜结构不均匀性的利用 089
9.4 总结 090
参考文献 090

第10 章 铝合铸件的阳极氧化处理 091
10.1 概要091
10.2 实验 092
10.2.1 试验用材料 092
10.2.2 调整试验材料 092
10.2.3 预处理和阳极氧化条件092
10.2.4 试验项目093
10.3 结果093
10.3.1 氧化膜生成率093
10.3.2 氧化膜厚度094
10.3.3 氧化膜硬度096
10.3.4 电压曲线096
10.3.5 氧化条件和外观的关系096
10.4 观察 098
10.5 总结099
参考文献 100

第11 章 复合方法处理铝阳极氧化膜的硬质化 101
11.1 概要 101
11.2 实验概要 102
11.2.1 试验用材料 102
11.2.2 预处理KMnO4 水溶液 102
11.2.3 硫酸阳极氧化 102
11.2.4 氧化膜特性评价 102
11.3 实验结果概要 103
11.3.1 由KMnO4 水溶液预处理过的氧化膜和硫酸氧化膜的定性分析 103
11.3.2 阳极氧化膜电解工艺变化以及氧化膜性能 104
11.3.3 阳极氧化膜的特性 105
11.4 总结 108
参考文献 108

第12 章 硫酸氧化膜裂纹产生和预防的基础实验109
12.1 概要 109
12.2 实验方法 110
12.2.1 评价方法 110
12.2.2 试验要点 110
12.3 实验结果 111
12.3.1 铝材材质和热处理的影响 111
12.3.2 铝板材压延方向的影响 111
12.3.3 阳极氧化预处理的影响 111
12.3.4 硫酸浓度和游离铝离子的影响 112
12.3.5 电解液温度的影响 112
12.3.6 电流波形的影响 113
12.3.7 电流密度的影响 113
12.3.8 阳极氧化膜厚度的影响 113
12.3.9 封孔处理的影响 113
12.3.10 阳极氧化膜进行加热的影响 114
12.3.11 弯曲轴心直径的影响 114
12.4 观察 115
参考文献 116

附录 117
附录1 铝表面处理相关标准 117
附录2 铝表面处理评价方法的特征 118
附录3 铝表面处理评价方法的应用实例 118
附录4 铝表面处理分析设备的功能分布图 119
附录5 各种金属接触和组合实例120
附录6 摩擦所使用主要金属材料 121
附录7 从摩擦学看金属间的相互溶解性 121
附录8 摩擦面的调查方法—主要面分析法122
附录9 JIS H 8603—1999 铝及铝合金的硬质阳极氧化覆盖层123
附录10 部分材料的热导率123
附录11 部分材料的线胀系数（0～100℃）124
附录12 部分材料的弹性模量E 125
附录13 部分材料的表面能量（熔点处测定） 126