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1、福建省科协2005年学术年会“数字化制造及其它先进制造技术”专题学术会议多孔氧化铝薄膜的制备及其应用吕文龙，陈松平，孙道恒厦门大学机电工程系，361005摘要：本文探讨了阳极氧化多孔铝的形成机理，详细地叙述了最近常见的高度有序多孔氧化铝薄膜的制备过程，并对多孔氧化铝薄膜的应用作了简要的介绍.关键词：多孔氧化铝；阳极氧化；高度有序中图分类号：TN304.05文献标识码：A1前言[1]阳极氧化多孔铝结构模型的研究最早始于1932年.1953年，Keller等人提出了比较权威的星空六角柱型模型，即氧化膜由许多含星型小孔的六角柱型单元组成（图1），为铝阳
2、极氧化的机理研究奠定了基础，多孔氧化铝包括两层，即与铝基相邻的阻挡层和外表面的多孔层，多孔层一般是非晶结构，对于恒压腐蚀条件，其厚度满足1.4nm/V的线性关系.多孔层为六角密排的氧化铝晶胞结构，每个晶胞中央包含一个星型圆柱孔，孔垂直于铝衬底表面，孔径大小取决于电解液类型，电解时的温度、时间及所加电[2]压.1969年Wood和O’sullivan对Keller模型进行了修正：认为氧化膜膜胞排列堆积紧密，膜孔近似于圆形.图1多孔铝阳极氧化膜基本结构单元的Keller模型2多孔氧化铝的形成机理关于多孔铝的形成机理,现在还没有统一的看法,比较常见的有
3、以下几种:[3]电场支持下的溶解模型.该模型认为,铝的阳极氧化过程包括阻挡层的形成、阻挡层溶解和多孔层稳定生长3个主要阶段.当电压加到电极两端时,电路中电阻很低,电流很高,在阳极铝膜上形成一层[4]坚固致密的非晶氧化铝薄膜,称为阻挡层.由于从溶液中刚生成的氧化铝易溶于酸液中,因此部分氧化铝发生化学溶解.当阻挡层达到某一临界值后,电解液开始在阻挡层的表面规则排列的点处,溶解出最[5]初的孔核.孔核的形成将使原来均匀分布的电场集中在孔底部区域,从而使孔底部阻挡层的溶解速率大大增强.同时由于孔底部局域电场增强,电流增大,导致局部过热,加速了这一溶解过程
4、.在溶解的同时,阻挡层/Al膜界面又开始形成新的阻挡层.这时,在电场作用下,Al3+向外迁移,而O2-或OH-向内迁移,从而不断形成阻挡层.最后,阻挡层的溶解速率和生长速率将达到一动态平衡,进入多孔层的稳定生长阶段.[6]临界电流密度效应模型.这种模型认为,对于特定的浓度与温度的电解液,阳极氧化过程总存在一个临界电流密度Jc,当回路的电流密度大于Jc时,生成的氧化膜为完全致密型,相应的电流效率为100%；当回路电流密度小于Jc时,生成的氧化膜为多孔型,相应的电流效率降为60%.临界电流密度效143多孔氧化铝薄膜的制备及其应用应勾勒出阳极氧化过程中
5、阴阳离子的动力学行为规律.[7]体膨胀应力模型.这种模型认为,在稳态氧化过程中,Al由于被氧化成Al2O3的体积比等量Al的体积大,因此过程中由于体积膨胀而导致每个孔都对周围产生了应力作用,是孔自组织按照六角密排方式使体系能量最低,结构最稳定.该模型首次定性解释了自组织原理在有序孔生长过程中的作用,但是它忽略了电场力在孔形成过程中的作用.笔者认为,阳极氧化一开始,金属铝迅速被氧化后,Al3+向阴极迁移,阴极附近的O2-或OH-向阳极迁移.一开始,由于金属铝完全暴露在溶液中,阳极附近Al3+的浓度很大,所以有很大一部分附着在铝基片上,致使表面形成坚
6、硬致密的Al2O3层,这会使Al2O3层上的电压升高,电场增强,结果导致Al2O3溶解速率增加,Al2O3层上的电压降低,电场减弱,金属铝的氧化速率又增加,直到Al2O3形成与溶解的速率相同,多孔铝进入了稳定生长的阶段.此后,阳极氧化平稳进行.3多孔氧化铝的制备3.1铝片氧化前的预处理在实验室中，要得到高度有序的多孔氧化铝薄膜，铝片氧化前的预处理至关重要.通常采用高纯度的铝片（纯度为99.99％）作为实验材料，铝片的规格可以根据实验条件自定.铝片的预处理包括：首先将铝片分别在丙酮和酒精中进行超声波清洗，然后用去离子水冲洗并用氮气枪吹干表面，目的是
7、去除表面的油脂等污物，保证其后碱洗操作中表面腐蚀均匀，提高制备得到的多孔铝膜的质量；再将铝片进行退火处理，具体操作是在N2保护下以10℃/min的速度加热到400℃保温（退火）4小时，N2流量为1.5L/min，然后自然降至室温，其目的是改善铝的晶体状态，消除铝片在轧制过程中形成的内应力，并使晶粒粗大化（因为内应力的存在对生成均匀规则的氧化铝孔膜非常不利）.最后将铝片表面进行抛光，抛光可分为电化学抛光和化学抛光，实验表明电化学抛光的效果更好一些.化学抛光是指先把铝片放在碱溶液中进行碱蚀，目的是消除铝表面存在的氧化膜，接着用去离子水冲洗，然后置于酸
8、溶液中进行酸蚀，从而达到铝表面抛光的目的.具体的实验参数可以根据具体条件决定，如在1mol/L的NaOH溶液中（温度50℃）侵蚀1～2m
