专利名称：多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法
技术领域：
本发明涉及一种铝表面多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法。
背景技术：
铝质材料是一类仅次于钢铁而被机械工业等广泛采用的金属材料。由于其高的比强度和优异的耐蚀性使得铝质材料在诸如汽车、航空航天工业和其它高技术产业中得到了非常广泛的应用。然而，作为摩擦学材料，铝质材料的严重弱点是质软、摩擦系数高、磨损大、容易拉伤且难以润滑，限制了其在摩擦学领域的应用。
众多的学者进行了铝的摩擦学表面改性的研究。诸多的新的表面改性方法，如PVD，CVD，三束改性，热喷涂等通过提高表面硬度，改变表面化学状态以及引入润滑性物质来减少磨粒磨损和粘着磨损并降低摩擦系数，并取得了良好的效果，但是其设备却十分昂贵。
阳极氧化是最为传统而有效的铝的表面改性方法，它能极大地提高铝制品表面的硬度，提高其化学稳定性，从而极大地提高了其抗磨抗擦伤和耐蚀能力，但是，阳极氧化膜是脆性的陶瓷膜，且其摩擦系数很高，在较高的速、负荷及带冲击的工况条件下则迅速失效。利用阳极氧化层的多孔质结构，借助于化学、物理、或电化学的方法在多孔质阳极氧化铝微孔中沉积润滑性物质既可保持阳极氧化膜的高硬度和耐磨性，同时又赋予材料的润滑性，这项技术近来倍受人们的重视。日本的石禾和夫等人[润滑アルマイトの开发.藤仓电线技报，昭和58年，6549-54]发明的用化学和电化学的方法在阳极氧化铝中沉积二硫化钼的工作曾被誉为铝质材料表面改性的一场革命，但不足之处是微孔中二硫化钼的填充量不足及MoS2的转化需较高温度。改进的方法之一是利用阳极氧化铝氧化层中纳米孔道内壁富含羟基的特点，使聚合物阳离子吸附到孔道内壁可以增加微孔中润滑性物质的含量。同时，随着填充的润滑性物质含量的增加，阳极氧化层的脆性也得以改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法，解决了硬质阳极氧化铝膜摩擦系数很高及脆性问题。
本发明的自润滑处理方法依次包括A和B两个步骤A.多孔硬质阳极氧化铝膜的制备首先，将铝片试样表面经清洗除污，碱除氧化层，电化学抛光处理后，在0.2-0.4mol/L草酸溶液中进行二次硬质阳极氧化，使其表面形成多孔的硬质阳极氧化膜；之后将多孔氧化层在3-5％磷酸溶液中进行扩孔处理。
B.自润滑阳极氧化铝膜的制备将扩孔处理后的多孔氧化铝膜浸入1.0-1.4mol/L的丙烯腈单体溶液中，在引发剂过硫酸铵的存在下进行引发聚合得到氧化层孔道中含有聚合物纳米纤维的复合膜，之后分别在240-260℃空气气氛下及500-700℃氩气气氛下分步进行热处理，得到孔道中填充有碳纳米纤维的自润滑阳极氧化铝复合膜。
本发明的多孔阳极氧化铝膜是由表面均匀分布着直径约80纳米的多孔层构成，其中多孔层内的纳米孔洞彼此平行且垂直于氧化膜表面，按近乎精确的六方紧密结构排列，膜的孔隙率达到1×1010以上，其厚度在5～100微米间，优选10～50微米。经过自润滑处理后，表面形成的复合层是由硬质多孔阳极氧化膜与填充于其中的固体润滑剂构成，固体润滑剂为碳纳米纤维，这种表面改性层厚度可控制在5～100微米之间，并同时具高硬度、耐磨、耐蚀和低摩擦的特点。所以，本法可对各种铝质工件进行摩擦学表面改性，解决了硬质阳极氧化铝膜摩擦系数很高的问题，在铝制材料表面改性中具有重要的意义。
摩擦磨损试验在日本协和株式会社生产的动静摩擦系数测定仪上进行。滑动速度90mm.min-1，单向滑动行程为5mm，法向负荷为3N。偶件选用φ3的GCr15钢球。在室温及相对湿度RH＝40％～45％条件下进行测定。摩擦磨损试验结果表明，GCr15钢球与纯硬质阳极氧化铝表面对摩时摩擦系数高，其值为为0.88，氧化铝表面上的磨擦轨迹粗糙，且可见严重断裂及剥落迹象。经过自润滑处理后摩擦系数降低为0.23，自润滑氧化铝表面上的磨擦轨迹平滑，且磨屑少。随着滑动次数的增加，摩擦系数趋于稳定。
以上摩擦系数数据表明，本发明所涉及的自润滑阳极氧化铝膜具有明显的减摩和抗磨性能，并对摩擦对偶有一定的保护作用。本法可对各种铝质工件进行摩擦学表面改性。
具体实施例方式
为了更好的理解本发明，通过实例进行说明实施例1将纯铝片经过清洗除污，碱除氧化层，电化学抛光后在0℃，0.3mol/L草酸溶液中60V直流电压条件下恒压阳极氧化3h，然后以磷酸-铬酸混合液除去氧化层后相同条件下阳极氧化5小时。以5％磷酸溶液进行扩孔后仔细清洗备用。所得的阳极氧化膜的厚度约为40μm，表面微孔孔径80纳米左右。
将阳极氧化后铝片浸入26mL1.3mol/L的丙烯腈溶液中，然后加入13ml20mM的NaHSO3溶液，12ml15mM(NH4)2S2O8溶液及一滴0.5mol/L H2SO4，40℃恒温2小时后即得到纳米孔道中填充有聚丙烯腈纳米纤维的复合膜，经250℃空气气氛下热处理一小时后再在600℃氩气气氛下热处理一小时，得到自润滑阳极氧化铝复合膜。
实施例2将纯铝片经过清洗除污，碱除氧化层，电化学抛光后在0℃，0.3mol/L草酸溶液中60V直流电压条件下恒压阳极氧化3h，以磷酸-铬酸混合液除去氧化层后相同条件下阳极氧化6小时。以5％磷酸溶液进行扩孔后仔细清洗备用。所得的阳极氧化膜的厚度约为50μm，表面微孔孔径80纳米左右。
将阳极氧化后铝片浸入26mL1.3mol/L的丙烯腈溶液中，然后加入13ml20mM NaHSO3溶液，12ml15mM(NH4)2S2O8溶液及一滴0.5mol/LH2SO4，40℃恒温2小时后即得到纳米孔道中填充有聚丙烯腈纳米纤维的复合膜，经250℃空气气氛下热处理一小时后再在700℃氩气气氛下热处理一小时，得到自润滑阳极氧化铝复合膜。
权利要求
1.一种铝表面多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法，其特征在该方法依次包括以下步骤A.多孔硬质阳极氧化铝膜的制备首先，将铝片试样表面经清洗除污，碱除氧化层，电化学抛光处理后，在0.2-0.4mol/L草酸溶液中进行二次硬质阳极氧化，使其表面形成多孔的硬质阳极氧化膜；之后将多孔氧化层在3-5％磷酸溶液中进行扩孔处理。B.自润滑阳极氧化铝膜的制备将扩孔处理后的多孔氧化铝膜浸入1.0-1.4mol/L的丙烯腈单体溶液中，在引发剂过硫酸铵的存在下进行引发聚合得到氧化层孔道中含有聚合物纳米纤维的复合膜，之后分别在240-260℃空气气氛下及500-700℃氩气气氛下分步进行热处理，得到孔道中填充有碳纳米纤维的自润滑阳极氧化铝复合膜。
全文摘要
本发明公开了一种多孔阳极氧化铝膜的自润滑处理方法。该方法首先是将处理后的铝片在草酸的电解液中进行二次阳极氧化，得到表面均匀分布着直径相等的纳米孔洞的阳极氧化铝/铝复合膜，利用化学聚合法在阳极氧化层的纳米孔道中合成聚合物纳米纤维，在一定的温度下进行热处理得到填充有碳纤维的自润滑阳极氧化铝。其特点是氧化铝膜均匀性好，膜厚易于控制；制备工艺简单、易操作；自润滑氧化铝膜的抗磨及减磨性能好。摩擦、磨损试验表明该自润滑阳极氧化铝膜具有良好的减摩、抗磨性能，解决了硬质阳极氧化铝膜摩擦系数很高及脆性问题，有望成为铝制材料表面改性中的有效手段。
文档编号C25D11/24GK1624209SQ20031011932
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月4日 优先权日2003年12月4日
发明者陈淼, 赵彦春, 刘维民, 刘相 申请人:中国科学院兰州化学物理研究所