某陽(yáng)極氧化鋁膜的制備與表征分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31046某陽(yáng)極氧化鋁膜的制備與表征分析案例 112726第一章陽(yáng)極氧化鋁膜的制備 1100141.1實(shí)驗(yàn)藥品 1157901.2實(shí)驗(yàn)儀器 1237661.2.1電泳儀 1167091.2.2數(shù)控超聲波清洗器 1202081.2.3其他設(shè)備 1130501.3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 1260891.4實(shí)驗(yàn)方案 1239091.4.1改變陽(yáng)極氧化電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 1321941.4.2改變草酸溶液濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 184871.4.3改變陽(yáng)極氧化時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 178621.4.4采用兩步陽(yáng)極氧化法進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 120289第二章陽(yáng)極氧化鋁膜的表征 1247462.1表征設(shè)備 1100532.1.1掃描電子顯微鏡 1304942.1.2體視顯微鏡 181992.1.3智能手機(jī) 145182.2表征結(jié)果 157982.2.1改變陽(yáng)極氧化電壓組 1238672.2.2改變電解液濃度組 179862.2.3改變陽(yáng)極氧化時(shí)間組 153342.2.4兩步陽(yáng)極氧制備的樣品 1陽(yáng)極氧化鋁膜的制備實(shí)驗(yàn)藥品表2.1實(shí)驗(yàn)藥品名稱分子式質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)分子質(zhì)量生產(chǎn)廠家鋁箔紙Al≧99%26.98北京賽諾茲鋁塑制品廠草酸C2H2O4·2H2O≧99.5%126.07天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司磷酸H3PO4≧85%98.00天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司三氧化鉻CrO3≧98%99.99上海麥克林生化科技有限公司鹽酸HCl36.0～38.0%36.46國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司五水硫酸銅CuSO4·5H2O≧99%249.68北京化工廠無(wú)水乙醇CH3CH2OH≧99.7%46.07天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司去離子水H2O≦5uS·cm-118.02學(xué)校自產(chǎn)實(shí)驗(yàn)儀器電泳儀電泳儀是實(shí)現(xiàn)電泳分析的儀器。本實(shí)驗(yàn)使用的電泳儀為北京君意東方電泳設(shè)備有限公司生產(chǎn)的JY600HE型電泳儀，輸出電壓范圍在10~600V，輸出電流范圍在1~1000mA，輸出功率范圍在1~300W。本電泳儀相當(dāng)于一個(gè)直流電源，安裝有四組正負(fù)極插口，可同時(shí)進(jìn)行四組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還配備了控制的系統(tǒng)可按照設(shè)定的程序改變電壓電流。數(shù)控超聲波清洗器本實(shí)驗(yàn)使用的超聲波清洗器為昆山市超聲儀器有限公司生產(chǎn)的KQ-300DE型數(shù)控超聲波清洗器，標(biāo)準(zhǔn)超聲頻率為40KHz，超聲輸入功率300W。輸入功率可調(diào)，可設(shè)置定時(shí)關(guān)閉。其他設(shè)備作為陰極的鉑電極和用于夾持鋁箔的鉑電極夾、聚四氟乙烯電解槽、稱量固體藥品的電子天平、干燥樣品的電熱鼓風(fēng)干燥箱和吹風(fēng)機(jī)圖2.1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖2.1實(shí)驗(yàn)裝置示意圖圖2.2實(shí)驗(yàn)用鋁箔厚度掃描電鏡圖實(shí)驗(yàn)方案圖2.2實(shí)驗(yàn)用鋁箔厚度掃描電鏡圖把實(shí)驗(yàn)用鋁箔(掃描電鏡結(jié)果顯示平均厚度約28.79μm)裁剪成1cm×1.5cm矩形，加入丙酮浸泡30min以除去樣品表面油脂，再裝入50mL燒杯中用去離子水浸沒(méi)，超聲處理5min，再用去離子水將超聲處理后的鋁箔表面沖洗干凈，使用吹風(fēng)機(jī)烘干后備用。以草酸為電解液，鉑電極為陰極，用聚四氟乙烯電解槽，在不同氧化時(shí)間、氧化電壓和電解液濃度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然后使用掃描電子顯微鏡等儀器設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行表征，使用電鏡圖片測(cè)量軟件對(duì)表征結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。改變陽(yáng)極氧化電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)使用0.3M草酸溶液作為電解液，每次取10mL，將以及處理好的鋁箔用電極夾夾住，露出約1cm2面積用于電解。將鋁箔較光亮的一面正對(duì)著鉑電極，鋁箔接電泳儀正極，鉑電極接負(fù)極，鋁箔和鉑電極浸入電解液保持一致（如圖2.1所示）。電解時(shí)鉑電極夾不可浸入電解液，以防止電流不經(jīng)過(guò)鋁箔直接通過(guò)電解液造成短路。氧化時(shí)間均設(shè)置為0.5h，電壓分別設(shè)置為10V、20V、30V、40V、50V和60V，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先后用無(wú)水乙醇和去離子水清洗樣品，再用吹風(fēng)機(jī)吹干后用自封袋裝好貼上標(biāo)簽以備后用。改變草酸溶液濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分別配置0.1M草酸溶液、0.2M草酸溶液、0.3M草酸溶液、0.4M草酸溶液和0.5M草酸溶液，鋁箔與鉑電極和電解液位置關(guān)系與2.4.1節(jié)一致，氧化時(shí)間均設(shè)置為0.5h，電壓均設(shè)置為40V。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先后用無(wú)水乙醇和去離子水清洗樣品，再用吹風(fēng)機(jī)吹干后用自封袋裝好貼上標(biāo)簽以備后用。改變陽(yáng)極氧化時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鋁箔與鉑電極和電解液位置關(guān)系與2.4.1節(jié)一致，使用100mL容量瓶配置0.3M草酸溶液，每次取10mL作為電解液，電壓均設(shè)置為40V，氧化時(shí)間分別設(shè)置為0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h和4h，所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，先后用無(wú)水乙醇和去離子水清洗樣品，再用吹風(fēng)機(jī)吹干后用自封袋裝好貼上標(biāo)簽以備后用。采用兩步陽(yáng)極氧化法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)鋁箔與鉑電極和電解液位置關(guān)系與2.4.1節(jié)一致，使用0.3M草酸溶液作為電解液，在40V電壓下陽(yáng)極氧化0.5h，將樣品使用去離子水清洗后放入50mL燒杯中，然后往燒杯中加入10mL使用50mL·L-1磷酸溶液和30g·L-1三氧化鉻溶液按體積比1:1制成的混合液，再將裝有樣品和混合液的燒杯放入60℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中放置0.5h，將樣品取出后再次使用去離子水清洗干凈。此時(shí)，樣品表面經(jīng)過(guò)一次氧化而形成的黃色氧化物會(huì)被溶解，樣品表面再次呈現(xiàn)銀白色。將樣品按照第一步陽(yáng)極氧化相同的條件再次氧化0.5h，用去離子水清洗干凈并吹干后準(zhǔn)備進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。將上一步制備好的樣品，放入飽和硫酸銅溶液與濃鹽酸溶液按照體積比1:3制成的混合液中，此時(shí)樣品中未形成氧化鋁的鋁基部分會(huì)與溶液發(fā)生置換反應(yīng)，約0.5h后鋁基大部分被去除。將樣品用去離子水清洗干凈并吹干后裝入自封袋貼上標(biāo)簽以備后用。本實(shí)驗(yàn)兩次陽(yáng)極氧化過(guò)程均在室溫下進(jìn)行。陽(yáng)極氧化鋁膜的表征表征設(shè)備掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡是繼透射電子顯微鏡之后發(fā)展起來(lái)的一種電子顯微鏡。與透射電子顯微鏡的成像方式不同，掃描電子顯微鏡是用聚焦電子束在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像。試樣一般為塊狀或粉末狀，成像信號(hào)可以是二次電子、背散射電子或吸收電子。其中二次電子是主要的成像型號(hào)[30]。掃描電子顯微鏡有以下特點(diǎn)[30]：（1）可以直接觀察直徑為10-30mm的大塊試樣，且制樣方法簡(jiǎn)單。對(duì)表面清潔的導(dǎo)電材料可不用制樣直接觀察，對(duì)表面清潔但不導(dǎo)電的材料只需在樣品表面進(jìn)行噴金處理就可進(jìn)行觀察。（2）圖像場(chǎng)深大，適用于粗糙表面和斷口的觀察分析，圖像富有立體感、真實(shí)感，易于識(shí)別和解釋。（3）分辨率高，一般分辨率在10nm以下，最高可達(dá)0.8nm。（4）可配合能譜儀對(duì)試樣組成進(jìn)行定性分析。本論文中實(shí)驗(yàn)表征使用的掃描電子顯微是日本日立SU8220型超高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡。該產(chǎn)品加速電壓范圍在0.5~30kV，著陸電壓范圍在0.01~2kV,放大倍數(shù)最高可達(dá)2000000倍，15kV加速電壓下分辨率為0.8nm。體視顯微鏡本文使用了NikonSMZ-745T雙目體視顯微鏡對(duì)樣品進(jìn)行低放大倍數(shù)表征，該顯微鏡最大放大倍數(shù)為500倍，成像效果清新，并可以配合數(shù)碼成像裝置連接計(jì)算機(jī)使用。連接計(jì)算機(jī)后可進(jìn)行顯微測(cè)量、拍照錄像等功能。智能手機(jī)本文使用了帶有拍照功能的智能手機(jī)對(duì)樣品進(jìn)行宏觀表征，該手機(jī)配備了七鏡式鏡頭和1200萬(wàn)像素傳感器。表征結(jié)果圖3.1不同陽(yáng)極氧化電壓下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜宏觀圖（a）10V（b）30V（c）40V（d）60V圖圖3.1不同陽(yáng)極氧化電壓下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜宏觀圖（a）10V（b）30V（c）40V（d）60V圖3.2不同陽(yáng)極氧化電壓下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大20.0k倍）（a）10V，（b）30V，（c）40V（d）60V圖3.3未經(jīng)陽(yáng)極氧化處理的鋁箔光亮面圖3.1是不同氧化電壓下的多孔氧化鋁膜宏觀圖，圖中可以看出在10V和30V氧化電壓條件下的樣品表面不透明，10V電壓條件下的樣品表面光澤度與鋁箔原始狀態(tài)接近但是表面在不同角度下會(huì)呈現(xiàn)綠色到紫色的反光，30V電壓條件下的樣品表面光澤度較10V電壓條件下的樣品降低，其氧化中心位置甚至無(wú)反光現(xiàn)象。而40V和60V氧化電壓條件下的樣品呈半透明狀態(tài)，將其對(duì)準(zhǔn)光源可觀察到光透過(guò)了樣品。因此，推測(cè)在10V和30V電壓條件下可能不易形成多孔結(jié)構(gòu)。接下來(lái)的掃描電鏡圖也證明了上述推測(cè)，20.0k倍掃描電鏡圖（圖3.2）結(jié)果顯示10V和30V電壓條件下樣品表面只出現(xiàn)了近似平行的裂紋，在未經(jīng)陽(yáng)極氧化的鋁箔的掃描電鏡圖（圖3.3）中同樣觀察到了這樣近似平行的裂紋，但裂紋寬度遠(yuǎn)小于結(jié)果陽(yáng)極氧化處理的樣品，這種裂紋可能是鋁箔生產(chǎn)過(guò)程中留下的表面缺陷，而這些缺陷位置也可能是陽(yáng)極圖3.3未經(jīng)陽(yáng)極氧化處理的鋁箔光亮面圖3.4不同陽(yáng)極氧化電壓下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大200k倍）（a）10V（b）30V圖3.4使用不同濃度的草酸溶液當(dāng)電解液的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大50.0k倍圖3.4使用不同濃度的草酸溶液當(dāng)電解液的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大50.0k倍）（a）0.1M，（b）0.2M，（c）0.4M圖3.4是不同濃度草酸當(dāng)電解液的掃描電鏡圖，圖中可以看出上述三個(gè)樣品均出現(xiàn)了平行縫隙，并且縫隙中出現(xiàn)有規(guī)律的孔洞。我對(duì)上述三個(gè)樣品縫隙寬度和縫隙中可見的孔洞的孔徑進(jìn)行了測(cè)量，0.1M、0.2M和0.4M草酸濃度樣品的平均縫隙寬度分別為17.98nm、14.05nm和19.49nm，平均孔徑大小為45.75nm、49.94nm和45.41nm，這兩組數(shù)據(jù)均接近，無(wú)明顯變化規(guī)律。從裂縫形成的連續(xù)性上來(lái)看，電解液濃度越高越容易形成連續(xù)的孔洞，后兩組還出現(xiàn)了明顯與主流孔洞方向不一致的孔洞排列，這兩者之間的關(guān)系還有待研究。考慮到氧化過(guò)程中還有一些難以控制精確的因素，如草酸溶液配置可能不準(zhǔn)確，電解過(guò)程中放出大量熱導(dǎo)致電解液溫度不一致等。因此，可以認(rèn)為草酸濃度對(duì)生成的多孔陽(yáng)極氧化鋁孔徑大小影響不大。圖3.5不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大2圖3.5不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大20.0k倍）（a）0.5h，（b）1.5h，（c）2.5h，（d）3.5h圖3.5展示了在以0.3M草酸為電解液，在40V電壓下分別陽(yáng)極氧化0.5h、1.5h、2.5h和3.5h的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜形貌。圖中可以看出，陽(yáng)極氧化時(shí)間為0.5h和1.5h的樣品表面平整度較低，并且表面附著了不同開孔朝向的氧化鋁碎渣。而陽(yáng)極氧化時(shí)間為2.5h和3.5h的樣品表面平整度較高，而且未觀察到有氧化鋁碎渣附著在其表面。氧化鋁碎渣開口朝向各異可能與實(shí)驗(yàn)用鋁箔中的鋁晶體的排布不均勻有關(guān)。陽(yáng)極氧化時(shí)間為2.5h和3.5h的樣品，表面未出現(xiàn)氧化鋁碎渣，可能是因?yàn)殡S著陽(yáng)極氧化時(shí)間的增加，表面的氧化鋁碎渣被電解消耗以鋁離子形式進(jìn)入了電解液中，2.5h樣品有部分地方未實(shí)現(xiàn)開孔，而3.5h樣品未開孔部位較少，也能說(shuō)明上述推斷可能是正確的。從圖片中還可以發(fā)現(xiàn)氧化時(shí)間為2.5h和3.5h的樣品孔的開口方向較前兩個(gè)樣品更統(tǒng)一，也許是因?yàn)殇X箔在生產(chǎn)過(guò)程中受到反復(fù)擠壓，其內(nèi)部含有較多應(yīng)力，其縱向鋁晶體分布方向是一層更趨向于一個(gè)方向，下一層更趨向于另一個(gè)方向，反復(fù)交替。后續(xù)也許可以通過(guò)加熱來(lái)消除鋁箔內(nèi)部應(yīng)力。圖3.7不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下多孔陽(yáng)極氧化鋁孔徑大小和孔壁厚度統(tǒng)計(jì)圖3.7不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下多孔陽(yáng)極氧化鋁孔徑大小和孔壁厚度統(tǒng)計(jì)（a）0.5h孔徑，（b）1.5h孔徑，（c）2.5h孔徑，（d）3.5h孔徑（e）0.5h孔壁，（f）1.5h孔壁，（g）2.5h孔壁，（h）3.5h孔壁圖3.6不同陽(yáng)極氧化時(shí)間下的多孔陽(yáng)極氧化鋁膜SEM圖（放大50.0k倍）（a）0.5h，（b）1.5h，（c）2.5h，（d）3.5h圖3.8兩步陽(yáng)極氧化法制備的樣品SEM圖（a）正面（b）反面兩步陽(yáng)極氧制備的樣品圖3.8兩步陽(yáng)極氧化法制備的樣品SEM圖（a）正面（b）反面圖3.8是經(jīng)過(guò)兩步陽(yáng)極氧化并去除鋁基板的樣品掃描電鏡圖，樣品正反面均有與3.2.3節(jié)氧化時(shí)間較短的樣品一樣的碎渣附著，正面出現(xiàn)這種現(xiàn)象