مقايسه خواص مکانيکي و متالورژيکي آندايز معمولي و آندايز رنگي با استفاده از نانو رنگدانه هاي فلزي

STUDENT

DEGREE

YEAR

Comparison of Mechanical and Metallurgical Properties of Conventional Anodized Layers with Colored Anodized Layers by Nano Metallic Pigments Anodizing of aluminum in sulfuric acid produce anodic aluminum oxide (AAO) with a regular nano-porous structure. Nano-pores are cylindrical and perpendicular to the aluminum substrate. Electrocoloring (electrolytic coloring) precipitate nano-metallic particles in the bottom of the regular nano-pores leading to induce electrolytic colors on the treated aluminum surface, but these colors differ from brown to black. modification of nano-porous anodic aluminum oxides induces light interference leading to various tones of colors (named Interference colors) after electrolytic coloring process. Interference colors predicted to be as same as the electrolytic colors but with various interesting tones of colors. In this research, nano-morphology of an anodic aluminum oxide was modified via two procedures in sulfuric and phosphoric acid baths. The metallurgical changes after the modifications were evaluated and compared with unmodified conventional layer. Layer thickness, crystalline structure, surface topography and morphology, mechanical characteristics including elastic modulus and nano-hardness, corrosion behavior and electronic properties of the oxide layers were evaluated by metallography, low-angle X-Ray diffraction (LAXRD), atomic force microscopy (AFM) and field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), nano-indentation (NHT), electrochemical Tafel polarization and mott-shottky analysis, respectively. From the overall view, the modification had some destructive effects on corrosion performance and mechanical properties of the anodized layers. Mott-Shottky analysis showed that the aluminum oxide layer was characterized as an n-type semiconductor and the modification increased its conductivity. The effects of the oxide modification on creating interference colors using the electrolytic coloring method were evaluated. The oxide layer modified in the sulfuric acid bath extended conventional electrolytic colors in the same tone. Conversely, different interference colors were obtained for the oxide layer modified in phosphoric acid bath. The electrochemical impedance spectroscopy was employed to examine the differences between the conventional electrolytic and interference colors. The results showed that the interference color anodized layer had a thinner barrier layer in comparison with conventional electrolytic anodized layer. In addition, interference colored layers had some problems with ordinary sealing techniques; only steam sealing was found to be effective for these layers. The modified layers were colored by electroless precipitation of Fe 2 hy;O 3 nano-particles and no interference

چکيده اصلاح لايه اکسيدي آلومينيوم مي تواند پس از رنگي سازي الکتروليتي منجر به ايجاد رنگ هاي متنوع از طريق پديده تداخل نور شود. در اين تحقيق، نانومورفولوژي لايه اکسيدي آلومينيوم از طريق دو فرايند، اصلاح در سولفوريک اسيد و اصلاح در فسفريک اسيد اصلاح شد. تغييرات متالورژيکي بعد از اصلاح مورد ارزيابي قرارگرفت و با لايه آندايز معمولي مقايسه شد. ضخامت لايه، ساختار کريستالي، توپوگرافي و مورفولوژي سطحي، مشخصه هاي مکانيکي شامل مدول الاستيک و نانوسختي، رفتار خوردگي و خواص الکترونيک لايه اکسيدي بررسي شد. فرايند هاي اصلاح تاثيرات مخربي بر روي خواص مکانيکي و مقاومت به خوردگي لايه نشان داد. آناليز موت-شاتکي نشان داد که لايه اکسيدي يک نيمه هادي از نوع n است و فرايند اصلاح هدايت الکتريکي آن را افزايش داد. تاثير نوع فرايند اصلاح بر قابليت ايجاد رنگ هاي تداخل نوري بررسي شد، لايه هاي اصلاح شده در سولفوريک اسيد شدت رنگ ناشي از رنگي سازي الکتروليتي را تغيير داد و فرايند اصلاح در فسفريک اسيد رنگ هايي کاملاً متفاوت از لايه هاي رنگي الکتروليتي معمولي را از طريق پديده تداخل نور ايجاد نمود. نتايج نشان داد که لايه حايل در لايه اکسيدي رنگي تداخل نوري، نسبت به لايه آندايز الکتروليتي معمولي، نازک تر است. همچنين روش هاي آب بندي معمول براي لايه هاي آندايز رنگي تداخل نوري جوابگو نبوده و روش آب بندي با بخار آب، روش مناسبي است. لايه هاي اکسيدي اصلاح شده، به روش الکترولس و با رسوب نانورنگدانه هاي اکسيد آهن رنگي سازي شدند. در اثر اين روش رنگي سازي، پديده تداخل نور مشاهده نشد. در مقابل، رنگي سازي الکتروليتي لايه آندايز اصلاح شده در فسفريک اسيد توسط الکتروليت هاي پايه قلع، پايه نيکل يا پايه مس باعث ايجاد يک رنگ تداخل نوري يکسان شد. از اين پديده نتيجه گرفته شد که رنگ هاي تداخل نوري، در حقيقت از رسوب رنگدانه هاي فلزي ته نانوحفرات لايه اکسيدي بوجود مي آيد و رسوب الکترولس ذرات غيرآلي، منجر به ايجاد رنگ هاي تداخل نوري نمي شود. لايه هاي رنگي شده به وسيله رسوب الکترولس ذرات اکسيدي، الکتروليتي معمولي و تداخل نوري، بعد از قرار گرفتن در برابر اشعه فرابنفش به مدت 300 ساعت، مقاومتي عالي از خود نشان دادند. مطابق با استاندارد ASTM B 571 A، لايه هاي آندايز رنگي تداخل نوري مقاومت به خمش بيشتري از خود نشان دادند. همچنين، لايه هاي تداخل نوري آب بندي شده با بخار آب، استاندارد هاي کيفيت آب بندي ASTM B 136–84 و ASTM B 680–80 را با موفقيت پشت سر گذاشتند. نتايج استاندارد ASTM B 137–95 نشان داد که لايه هاي اکسيدي رنگي تداخل نوري تقريباً دانسيته 30% کمتر از لايه هاي اکسيدي رنگي الکتروليتي معمولي دارند که در توافق خوبي با ميزان تخلخل تخمين زده شده براي لايه ها از روابط خواص مکانيکي، مقاومت به تنش حرارتي و تصاوير FE-SEM است. کلمات کليدي: آندايزينگ، لايه اکسيدي آلومينيوم، تداخل نور، رنگي سازي الکتروليتي.