專利名稱：一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及鋁及其合金表面利用陽極氧化結(jié)構(gòu)色的著色工藝領(lǐng)域，具體是一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法。
背景技術(shù)：
我國自從20世紀(jì)80年代開始，對鋁和鋁合金著色機(jī)理和氧化膜著色技術(shù)進(jìn)行了研究，目前最廣泛使用的鋁和鋁合金著色方法是陽極氧化電解著色法。電解氧化結(jié)合了陽極氧化和電化學(xué)沉積工藝，首先把鋁片或鋁合金片在酸溶液中氧化，形成蜂窩狀多孔氧化膜，然后在含有金屬鹽離子的溶液中進(jìn)行電解處理，在電場作用下，將金屬離子沉積到氧化膜的孔隙中。按照沉積金屬鹽的不同陽極氧化電解著色主要分為鎳鹽、錫鹽、銅鹽電解著色，這幾種金屬沉積出的顏色主要是黃-褐-黑色系和藍(lán)綠色系。陽極氧化電解著色存在著顏色單一、工藝復(fù)雜、著色液的穩(wěn)定性和分散性差等問題，一直沒有得到很好解決。光子晶體是指具有光子能帶及能隙的一類新材料。如果將具有不同介電常數(shù)的介質(zhì)材料在空間按一定的周期排列，會出現(xiàn)類似于半導(dǎo)體禁帶的“光學(xué)禁帶”。光學(xué)禁帶中的光被反射形成結(jié)構(gòu)色是光子晶體著色的基本原理。由于現(xiàn)有技術(shù)中的氧化鋁光子晶體采用電流法制備，無法在鋁或鋁合金基上直接顯色，設(shè)備成本高，并且因?yàn)楹蜆悠访娣e相關(guān)而無法應(yīng)用到形狀復(fù)雜的零件上，因此，目前氧化鋁光子晶體的概念并沒有被應(yīng)用到鋁或鋁合金著色工藝上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法，本發(fā)明具有工藝簡單、穩(wěn)定、環(huán)保、顏色調(diào)節(jié)范圍寬、調(diào)節(jié)手段方便的優(yōu)勢。本發(fā)明方案設(shè)計(jì)依據(jù)陽極氧化形成的層狀三維氧化鋁光子晶體薄膜，在光垂直入射時，其光學(xué)禁帶性能可用以下簡化的Bragg-Snell公式來表示2dneff = Hii λ j其中，d是垂直于樣品表面的層間距諷為正整數(shù)，對應(yīng)每一個吸收峰的級數(shù)；入i 是每個吸收峰的波長；Iieff是樣品的有效折射率。因此，通過調(diào)節(jié)層間距d值，可以精確線性地調(diào)節(jié)樣品的光譜反射峰位置，也就是調(diào)節(jié)不同的顏色。因此，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)氧化時間或周期電壓，改變層間距d值，就可在光見光波段內(nèi)精確調(diào)節(jié)著色鋁或鋁合金表面的不同顏色。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法，包括如下步驟(1)首先對鋁或鋁合金表面進(jìn)行清洗和拋光；(2)使用濃度為0. 1 3摩爾/升的硫酸電解液，以上述處理好的鋁或鋁合金為陽極，石墨為陰極，進(jìn)行恒壓陽極預(yù)氧化，預(yù)氧化電壓10 20伏特，預(yù)氧化時間20分鐘 3小時；(3 )再利用隨時間呈周期性變化的電壓對上述鋁或鋁合金表面進(jìn)行氧化，得到層狀結(jié)構(gòu)的氧化鋁光子晶體，利用其光學(xué)禁帶的結(jié)構(gòu)色對鋁或鋁合金表面實(shí)現(xiàn)著色，并通過保持時間一定，只改變電壓或保持電壓一定，只改變時間，即可控制氧化鋁光子晶體的不同層狀結(jié)構(gòu)，從而調(diào)節(jié)鋁或鋁合金表面不同的顏色。所述步驟(3)中隨時間呈周期性變化的電壓，在一個周期內(nèi)包括正弦上升、高壓保持、直線下降和兩個正弦下降，共五個階段時間、內(nèi)，電壓由U1正弦上升到U2，在U2保持時間為t2，然后在時間t3內(nèi)由U2直線下降到U3,隨后在時間t4內(nèi)從U3正弦下降到U4,最后在時間t5內(nèi)由U4正弦下降回到U1，其中時間、取值范圍為25 250秒，t2為25 250 秒，t3為12 125秒，t4為40 400秒，t5為145 1450秒，電壓U1取值在3 13伏特之間，U2在7 30伏特之間，U3在5 22伏特之間，U4在4 15伏特之間。所述預(yù)氧化和氧化著色的溫度均為0 5°C。所述步驟(3)中電壓隨時間呈周期性變化的周期數(shù)即為層狀氧化鋁光子晶體的層數(shù)，即可控制鋁或鋁合金表面顏色色澤，優(yōu)選地本發(fā)明采用的周期數(shù)為50 300次。所述鋁或鋁合金表面著紅色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述鋁或鋁合金表面著紫色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為85秒、85秒、 42. 5秒、150秒和485秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述鋁或鋁合金表面著藍(lán)色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、13. 5伏特、10. 5伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。所述鋁或鋁合金表面著藍(lán)色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為100秒、100 秒、50秒、180秒和570秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述鋁或鋁合金表面著褐色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、12. 5伏特、10伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述鋁或鋁合金表面著褐色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為70秒、70秒、 35秒、126秒和400秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果(1)本發(fā)明通過電壓模擬法創(chuàng)新性地解決了氧化鋁光子晶體大規(guī)模生產(chǎn)的可控性問題，相對于成本高，不能應(yīng)用于異形體的電流控制法，本發(fā)明的電壓模擬法只需調(diào)節(jié)周期性電壓或氧化時間，具有成本低廉，設(shè)備簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)，并且可應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜樣品的優(yōu)勢，大大提高了其應(yīng)用于生產(chǎn)的可行性。(2)本發(fā)明方法只需一步氧化完成，省去了以往陽極氧化電解著色的電化學(xué)沉積步驟，因此不但大大簡化了著色工藝，而且不存在電解著色中電解液不穩(wěn)定和分散性差的問題，著色重復(fù)性好，工藝穩(wěn)定，并且本方法不涉及任何高污染的金屬鹽沉積液，不添加任何涂料染料，只使用可循環(huán)利用的稀硫酸溶液，因此環(huán)保無污染。(3)本發(fā)明著色方法有效解決顏色單一的問題，在光見光波段內(nèi)精確調(diào)節(jié)著色鋁或鋁合金表面的不同顏色。

(4)本發(fā)明著色方法中電壓隨時間呈周期性變化的周期數(shù)為50 300次，可有效控制鋁或鋁合金表面的色澤美觀。


圖1為實(shí)施例1中氧化過程的電壓曲線和電流曲線圖。圖2為實(shí)施例1和實(shí)施例2中氧化鋁著色膜的可見光透射光譜圖。圖3為實(shí)施例1和實(shí)施例2中著色鋁片的可見光反射光譜圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明要求保護(hù)的范圍并不局限于實(shí)施例表述的范圍。實(shí)施例1 本實(shí)施例是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的(1)將厚度0. 3mm的純度為99. 999%的高純鋁片裁成6cmX7. 5cm，在乙醇和高氯酸體積比為4 1混合的溶液中進(jìn)行電拋光。拋光時間3分鐘，電壓21V。(2)在0°C下，使用濃度為1. 1摩爾/升的硫酸溶液作為電解液，鋁為陽極，石墨為陰極，進(jìn)行陽極氧化，氧化面積為5cmX6. 5cm的矩形。具體氧化過程如下首先14V恒壓預(yù)氧化1小時，然后利用周期性電壓進(jìn)行氧化。一個周期的周期性電壓波形為在85秒內(nèi)從6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持85秒，然后在42. 5秒內(nèi)從14. 5V直線下降到11V，隨后在150秒內(nèi)從IlV正弦下降到7. 5V，最后在485秒內(nèi)從7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性電壓重復(fù)140次，氧化過程電壓電流曲線如圖1所示。實(shí)施以上方法，可以得到色澤均勻美觀的紫色著色膜。如圖2所示，著色膜可見光透射譜帶隙在476nm，強(qiáng)度0. 1 %。著色鋁反射峰位于483nm，強(qiáng)度達(dá)到93. 3%，如圖3所示。實(shí)施例2 本實(shí)施例是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的在1°C下，其它條件與實(shí)施例1相同，周期性氧化電壓波形變?yōu)樵?20秒內(nèi)從 6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持120秒，然后在60秒內(nèi)從14. 5V直線下降到1IV，隨后在220 秒內(nèi)從Iiv正弦下降到7. 5V，最后在680秒內(nèi)從7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性電壓重復(fù) 105 次。實(shí)施以上步驟可得到著色鮮艷均勻的紅色著色膜。如圖2所示，著色膜可見光透射譜帶隙在620nm，強(qiáng)度3. 5%。著色鋁反射峰位于656nm，強(qiáng)度達(dá)到92. 3%，如圖3所示。實(shí)施例3:本實(shí)施例是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的在2°C下，其它條件與實(shí)施例1相同，周期性氧化電壓波形變?yōu)樵?20秒內(nèi)從 6. 5V正弦上升到13. 5V，并保持120秒，然后在60秒內(nèi)從13. 5V直線下降到10. 5V，隨后在220秒內(nèi)從10. 5V正弦下降到7. 5V，最后在680秒內(nèi)從7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性電壓
重復(fù)105次。實(shí)施以上方法，可 以得到色澤均勻美觀的藍(lán)色著色膜。實(shí)施例4 本實(shí)施例是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的在；TC下，其它條件與實(shí)施例1相同，周期性氧化電壓波形變?yōu)樵?20秒內(nèi)從 6. 5V正弦上升到12. 5V，并保持120秒，然后在60秒內(nèi)從12. 5V直線下降到10V，隨后在220 秒內(nèi)從IOV正弦下降到7. 5V，最后在680秒內(nèi)從7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性電壓重復(fù) 105 次。實(shí)施以上方法，可以得到色澤均勻美觀的褐色著色膜。實(shí)施例5 本實(shí)施例5是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的對型號為6061的鋁合金實(shí)施陽極氧化著色。在4°C下，使用1. 1摩爾/升的硫酸作為電解液，鋁合金為陽極，石墨為陰極，進(jìn)行陽極氧化。具體氧化過程如下首先14V恒壓預(yù)氧化1小時，然后利用周期性電壓進(jìn)行氧化。一個周期的氧化電壓波形如下在100秒內(nèi)從6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持100秒，然后在50秒內(nèi)從14. 5V直線下降到11V，隨后在 180秒內(nèi)從IlV正弦下降到7. 5V，最后在570秒內(nèi)從7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性電壓重復(fù)120次。實(shí)施以上步驟可以在鋁合金表面得到著色均勻美觀的藍(lán)色著色膜。實(shí)施例6 本實(shí)施例是在以下技術(shù)要求條件下實(shí)施的對型號為6061的鋁合金進(jìn)行陽極氧化著色。在5°C下，其它條件與實(shí)施例5相同， 周期性氧化電壓波形變?yōu)樵?0秒內(nèi)從6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持70秒，然后在35 秒內(nèi)從14. 5V直線下降到11V，隨后在126秒內(nèi)從IlV正弦下降到7. 5V，最后在400秒內(nèi)從 7.5V正弦下降到6.5V。周期性電壓重復(fù)170次。實(shí)施以上步驟，可以在鋁合金表面得到著色均勻美觀的褐色著色膜。上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)首先對鋁或鋁合金表面進(jìn)行清洗和拋光；(2)使用濃度為0.1 3摩爾/升的硫酸電解液，以上述處理好的鋁或鋁合金為陽極， 石墨為陰極，進(jìn)行恒壓陽極預(yù)氧化，預(yù)氧化電壓10 20伏特，預(yù)氧化時間20分鐘 3小時；(3)再利用隨時間呈周期性變化的電壓對上述鋁或鋁合金表面進(jìn)行氧化，得到層狀結(jié)構(gòu)的氧化鋁光子晶體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中隨時間呈周期性變化的電壓，在一個周期內(nèi)包括正弦上升、高壓保持、直線下降和兩個正弦下降，共五個階段時間、 內(nèi)，電壓由U1正弦上升到U2，在U2保持時間為t2，然后在時間t3內(nèi)由U2直線下降到U3,隨后在時間t4內(nèi)從U3正弦下降到U4，最后在時間t5內(nèi)由U4正弦下降回到U1，其中時間、取值范圍為25 250秒，t2為25 250秒，t3為12 125秒，t4為40 400秒，t5為145 1450秒，電壓U1為3 13伏特，U2為7 30伏特，U3為5 22伏特，U4為4 15伏特。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述預(yù)氧化和氧化的溫度均為0 5°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟(3)中電壓隨時間呈周期性變化的周期數(shù)為50 300次。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著紅色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著紫色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為85秒、85秒、42. 5秒、150秒和485秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著藍(lán)色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、13. 5伏特、10. 5伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著藍(lán)色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為100秒、100秒、50秒、180秒和570秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著褐色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、12. 5伏特、10伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述鋁或鋁合金表面著褐色時，一個周期內(nèi)，時間、 t5的值分別為70秒、70秒、35秒、126秒和400秒，電壓U1 U5的值分別為6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種對鋁及其合金表面進(jìn)行著色的方法，包括如下步驟首先對鋁或鋁合金表面進(jìn)行清洗和拋光；使用濃度為0.1～3摩爾/升的硫酸電解液，以上述處理好的鋁或鋁合金為陽極，石墨為陰極，進(jìn)行恒壓陽極預(yù)氧化，預(yù)氧化電壓10～20伏特，預(yù)氧化時間20分鐘～3小時；再利用隨時間呈周期性變化的電壓對上述鋁或鋁合金進(jìn)行氧化，得到層狀結(jié)構(gòu)的氧化鋁光子晶體，利用其光學(xué)禁帶的結(jié)構(gòu)色對鋁或鋁合金表面實(shí)現(xiàn)著色，通過保持時間一定，只改變電壓或保持電壓一定，只改變時間，即可在可見光范圍內(nèi)調(diào)節(jié)不同顏色。本發(fā)明著色方法無須沉積金屬離子、工藝簡單廉價、顏色調(diào)節(jié)范圍寬、污染小。
文檔編號C25D11/14GK102181902SQ20111010014
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月21日
發(fā)明者凌志遠(yuǎn), 劉憶森, 常毅, 胡星 申請人:華南理工大學(xué)