专利名称：一种对铝及其合金表面进行着色的方法
技术领域：
本发 明涉及铝及其合金表面利用阳极氧化结构色的着色工艺领域，具体是一种对铝及其合金表面进行着色的方法。
背景技术：
我国自从20世纪80年代开始，对铝和铝合金着色机理和氧化膜着色技术进行了研究，目前最广泛使用的铝和铝合金着色方法是阳极氧化电解着色法。电解氧化结合了阳极氧化和电化学沉积工艺，首先把铝片或铝合金片在酸溶液中氧化，形成蜂窝状多孔氧化膜，然后在含有金属盐离子的溶液中进行电解处理，在电场作用下，将金属离子沉积到氧化膜的孔隙中。按照沉积金属盐的不同阳极氧化电解着色主要分为镍盐、锡盐、铜盐电解着色，这几种金属沉积出的颜色主要是黄-褐-黑色系和蓝绿色系。阳极氧化电解着色存在着颜色单一、工艺复杂、着色液的稳定性和分散性差等问题，一直没有得到很好解决。光子晶体是指具有光子能带及能隙的一类新材料。如果将具有不同介电常数的介质材料在空间按一定的周期排列，会出现类似于半导体禁带的“光学禁带”。光学禁带中的光被反射形成结构色是光子晶体着色的基本原理。由于现有技术中的氧化铝光子晶体采用电流法制备，无法在铝或铝合金基上直接显色，设备成本高，并且因为和样品面积相关而无法应用到形状复杂的零件上，因此，目前氧化铝光子晶体的概念并没有被应用到铝或铝合金着色工艺上。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种对铝及其合金表面进行着色的方法，本发明具有工艺简单、稳定、环保、颜色调节范围宽、调节手段方便的优势。本发明方案设计依据阳极氧化形成的层状三维氧化铝光子晶体薄膜，在光垂直入射时，其光学禁带性能可用以下简化的Bragg-Snell公式来表示2dneff = Hii λ j其中，d是垂直于样品表面的层间距讽为正整数，对应每一个吸收峰的级数；入i 是每个吸收峰的波长；Iieff是样品的有效折射率。因此，通过调节层间距d值，可以精确线性地调节样品的光谱反射峰位置，也就是调节不同的颜色。因此，本发明通过调节氧化时间或周期电压，改变层间距d值，就可在光见光波段内精确调节着色铝或铝合金表面的不同颜色。本发明是通过以下技术方案实现的一种对铝及其合金表面进行着色的方法，包括如下步骤(1)首先对铝或铝合金表面进行清洗和抛光；(2)使用浓度为0. 1 3摩尔/升的硫酸电解液，以上述处理好的铝或铝合金为阳极，石墨为阴极，进行恒压阳极预氧化，预氧化电压10 20伏特，预氧化时间20分钟 3小时；(3 )再利用随时间呈周期性变化的电压对上述铝或铝合金表面进行氧化，得到层状结构的氧化铝光子晶体，利用其光学禁带的结构色对铝或铝合金表面实现着色，并通过保持时间一定，只改变电压或保持电压一定，只改变时间，即可控制氧化铝光子晶体的不同层状结构，从而调节铝或铝合金表面不同的颜色。所述步骤(3)中随时间呈周期性变化的电压，在一个周期内包括正弦上升、高压保持、直线下降和两个正弦下降，共五个阶段时间、内，电压由U1正弦上升到U2，在U2保持时间为t2，然后在时间t3内由U2直线下降到U3,随后在时间t4内从U3正弦下降到U4,最后在时间t5内由U4正弦下降回到U1，其中时间、取值范围为25 250秒，t2为25 250 秒，t3为12 125秒，t4为40 400秒，t5为145 1450秒，电压U1取值在3 13伏特之间，U2在7 30伏特之间，U3在5 22伏特之间，U4在4 15伏特之间。所述预氧化和氧化着色的温度均为0 5°C。所述步骤(3)中电压随时间呈周期性变化的周期数即为层状氧化铝光子晶体的层数，即可控制铝或铝合金表面颜色色泽，优选地本发明采用的周期数为50 300次。所述铝或铝合金表面着红色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述铝或铝合金表面着紫色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为85秒、85秒、 42. 5秒、150秒和485秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述铝或铝合金表面着蓝色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、13. 5伏特、10. 5伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。所述铝或铝合金表面着蓝色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为100秒、100 秒、50秒、180秒和570秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述铝或铝合金表面着褐色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120 秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、12. 5伏特、10伏特、7. 5伏特、 6. 5伏特。所述铝或铝合金表面着褐色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为70秒、70秒、 35秒、126秒和400秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。与现有技术相比，本发明具有如下的优点和有益效果(1)本发明通过电压模拟法创新性地解决了氧化铝光子晶体大规模生产的可控性问题，相对于成本高，不能应用于异形体的电流控制法，本发明的电压模拟法只需调节周期性电压或氧化时间，具有成本低廉，设备简单，适合大规模生产，并且可应用于各种结构形状复杂样品的优势，大大提高了其应用于生产的可行性。(2)本发明方法只需一步氧化完成，省去了以往阳极氧化电解着色的电化学沉积步骤，因此不但大大简化了着色工艺，而且不存在电解着色中电解液不稳定和分散性差的问题，着色重复性好，工艺稳定，并且本方法不涉及任何高污染的金属盐沉积液，不添加任何涂料染料，只使用可循环利用的稀硫酸溶液，因此环保无污染。(3)本发明着色方法有效解决颜色单一的问题，在光见光波段内精确调节着色铝或铝合金表面的不同颜色。
(4)本发明着色方法中电压随时间呈周期性变化的周期数为50 300次，可有效控制铝或铝合金表面的色泽美观。
图1为实施例1中氧化过程的电压曲线和电流曲线图。图2为实施例1和实施例2中氧化铝着色膜的可见光透射光谱图。图3为实施例1和实施例2中着色铝片的可见光反射光谱图。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。实施例1 本实施例是在以下技术要求条件下实施的(1)将厚度0. 3mm的纯度为99. 999%的高纯铝片裁成6cmX7. 5cm，在乙醇和高氯酸体积比为4 1混合的溶液中进行电抛光。抛光时间3分钟，电压21V。(2)在0°C下，使用浓度为1. 1摩尔/升的硫酸溶液作为电解液，铝为阳极，石墨为阴极，进行阳极氧化，氧化面积为5cmX6. 5cm的矩形。具体氧化过程如下首先14V恒压预氧化1小时，然后利用周期性电压进行氧化。一个周期的周期性电压波形为在85秒内从6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持85秒，然后在42. 5秒内从14. 5V直线下降到11V，随后在150秒内从IlV正弦下降到7. 5V，最后在485秒内从7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性电压重复140次，氧化过程电压电流曲线如图1所示。实施以上方法，可以得到色泽均勻美观的紫色着色膜。如图2所示，着色膜可见光透射谱带隙在476nm，强度0. 1 %。着色铝反射峰位于483nm，强度达到93. 3%，如图3所示。实施例2 本实施例是在以下技术要求条件下实施的在1°C下，其它条件与实施例1相同，周期性氧化电压波形变为在120秒内从 6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持120秒，然后在60秒内从14. 5V直线下降到1IV，随后在220 秒内从Iiv正弦下降到7. 5V，最后在680秒内从7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性电压重复 105 次。实施以上步骤可得到着色鲜艳均勻的红色着色膜。如图2所示，着色膜可见光透射谱带隙在620nm，强度3. 5%。着色铝反射峰位于656nm，强度达到92. 3%，如图3所示。实施例3:本实施例是在以下技术要求条件下实施的在2°C下，其它条件与实施例1相同，周期性氧化电压波形变为在120秒内从 6. 5V正弦上升到13. 5V，并保持120秒，然后在60秒内从13. 5V直线下降到10. 5V，随后在220秒内从10. 5V正弦下降到7. 5V，最后在680秒内从7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性电压
重复105次。实施以上方法，可 以得到色泽均勻美观的蓝色着色膜。实施例4 本实施例是在以下技术要求条件下实施的在；TC下，其它条件与实施例1相同，周期性氧化电压波形变为在120秒内从 6. 5V正弦上升到12. 5V，并保持120秒，然后在60秒内从12. 5V直线下降到10V，随后在220 秒内从IOV正弦下降到7. 5V，最后在680秒内从7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性电压重复 105 次。实施以上方法，可以得到色泽均勻美观的褐色着色膜。实施例5 本实施例5是在以下技术要求条件下实施的对型号为6061的铝合金实施阳极氧化着色。在4°C下，使用1. 1摩尔/升的硫酸作为电解液，铝合金为阳极，石墨为阴极，进行阳极氧化。具体氧化过程如下首先14V恒压预氧化1小时，然后利用周期性电压进行氧化。一个周期的氧化电压波形如下在100秒内从6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持100秒，然后在50秒内从14. 5V直线下降到11V，随后在 180秒内从IlV正弦下降到7. 5V，最后在570秒内从7. 5V正弦下降到6. 5V。周期性电压重复120次。实施以上步骤可以在铝合金表面得到着色均勻美观的蓝色着色膜。实施例6 本实施例是在以下技术要求条件下实施的对型号为6061的铝合金进行阳极氧化着色。在5°C下，其它条件与实施例5相同， 周期性氧化电压波形变为在70秒内从6. 5V正弦上升到14. 5V，并保持70秒，然后在35 秒内从14. 5V直线下降到11V，随后在126秒内从IlV正弦下降到7. 5V，最后在400秒内从 7.5V正弦下降到6.5V。周期性电压重复170次。实施以上步骤，可以在铝合金表面得到着色均勻美观的褐色着色膜。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种对铝及其合金表面进行着色的方法，其特征在于，包括如下步骤(1)首先对铝或铝合金表面进行清洗和抛光；(2)使用浓度为0.1 3摩尔/升的硫酸电解液，以上述处理好的铝或铝合金为阳极， 石墨为阴极，进行恒压阳极预氧化，预氧化电压10 20伏特，预氧化时间20分钟 3小时；(3)再利用随时间呈周期性变化的电压对上述铝或铝合金表面进行氧化，得到层状结构的氧化铝光子晶体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中随时间呈周期性变化的电压，在一个周期内包括正弦上升、高压保持、直线下降和两个正弦下降，共五个阶段时间、 内，电压由U1正弦上升到U2，在U2保持时间为t2，然后在时间t3内由U2直线下降到U3,随后在时间t4内从U3正弦下降到U4，最后在时间t5内由U4正弦下降回到U1，其中时间、取值范围为25 250秒，t2为25 250秒，t3为12 125秒，t4为40 400秒，t5为145 1450秒，电压U1为3 13伏特，U2为7 30伏特，U3为5 22伏特，U4为4 15伏特。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述预氧化和氧化的温度均为0 5°C。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中电压随时间呈周期性变化的周期数为50 300次。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着红色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着紫色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为85秒、85秒、42. 5秒、150秒和485秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着蓝色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、13. 5伏特、10. 5伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着蓝色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为100秒、100秒、50秒、180秒和570秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着褐色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为120秒、120秒、60秒、220秒和680秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、12. 5伏特、10伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
10.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铝或铝合金表面着褐色时，一个周期内，时间、 t5的值分别为70秒、70秒、35秒、126秒和400秒，电压U1 U5的值分别为6. 5伏特、14. 5伏特、11伏特、7. 5伏特、6. 5伏特。
全文摘要
本发明公开了一种对铝及其合金表面进行着色的方法，包括如下步骤首先对铝或铝合金表面进行清洗和抛光；使用浓度为0.1～3摩尔/升的硫酸电解液，以上述处理好的铝或铝合金为阳极，石墨为阴极，进行恒压阳极预氧化，预氧化电压10～20伏特，预氧化时间20分钟～3小时；再利用随时间呈周期性变化的电压对上述铝或铝合金进行氧化，得到层状结构的氧化铝光子晶体，利用其光学禁带的结构色对铝或铝合金表面实现着色，通过保持时间一定，只改变电压或保持电压一定，只改变时间，即可在可见光范围内调节不同颜色。本发明着色方法无须沉积金属离子、工艺简单廉价、颜色调节范围宽、污染小。
文档编号C25D11/14GK102181902SQ20111010014
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者凌志远, 刘忆森, 常毅, 胡星 申请人:华南理工大学