納米注塑、陽極氧化之納米孔洞是如何產(chǎn)生的？

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深圳市鑫迪科技有限公司技術(shù)總監(jiān) 邱耀弘博士

圖：會(huì)議現(xiàn)場

材料制造加工一般分類兩類：減材制造和增材制造。減材制造是我們目前應(yīng)用最廣的制造方法，如：車、銑、刨等；增材制造是近年來非常流行的方法，如：3D打印。和材料制造相類似，獲取微/納米結(jié)構(gòu)也有減材和增材兩大類方法。下面我們具體看一下：

一、材料削減法(Remove material, RM)

獲取微/納米結(jié)構(gòu)的減材方法主要通過液體刻蝕和高能量移除的方法實(shí)現(xiàn)。其中，酸刻蝕條件溫和、表面處理效果均勻、360°無死角，目前應(yīng)用廣泛。高能移除法會(huì)使金屬結(jié)構(gòu)件產(chǎn)生高溫，會(huì)產(chǎn)生一定的變形和殘留應(yīng)力，且不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)，故目前應(yīng)用不多。

1．均質(zhì)相金屬

圖：均質(zhì)相金屬的刻蝕效果

這類處理技術(shù)常用于鋁/鎂合金。如上圖所示：金屬光滑的表面通過酸等重復(fù)刻蝕，得到大的納米洞（200-500nm），大納米洞中有小的納米孔（20-80nm）。這類技術(shù)廣泛應(yīng)用于手機(jī)結(jié)構(gòu)件中（納米注塑的前處理）。

2．兼具軟硬相的非均質(zhì)相金屬

圖：兼具軟硬相非均質(zhì)相金屬的刻蝕效果

這類處理技術(shù)常用于鈦和銅。通過酸蝕作用，金屬表面軟相被除去，留下硬相部分（如上圖所示）；硬相突出的納米峰尺寸為100-500nm（白色部分），軟相“平地”呈現(xiàn)暗色。

3．晶界侵蝕的非均質(zhì)金屬

圖：晶界侵蝕的均質(zhì)金屬的刻蝕效果

這類處理技術(shù)常用于不銹鋼與鐵系合金中。不銹鋼系列合金含有大量的耐蝕-鎳、鉻金屬﹐因此處理相當(dāng)費(fèi)時(shí)﹐利用晶粒邊界的低含鎳與鉻量﹐進(jìn)行深孔腐蝕﹐因此深度甚至達(dá)10mm = 10,000nm。

通過比較，前三類方法得到的納米孔洞尺寸大小為：均質(zhì)相金屬（200-500nm、20-80nm）＜兼具軟硬相的非均質(zhì)相金屬（100-500nm）＜晶界侵蝕的非均質(zhì)金屬（10,000nm）。

4．高能移除法

1）激光汽化

激光汽化是以高能的激光交叉與偏擺角度制作微結(jié)構(gòu)的一類方法。激光汽化容易產(chǎn)生熱殘留應(yīng)力，導(dǎo)致基材扭曲，故難以工業(yè)化應(yīng)用。

2）等離子汽化

等離子源類似激光，進(jìn)行微結(jié)構(gòu)加工；等離子能量遠(yuǎn)低于激光，所以較難執(zhí)行。

3）傳統(tǒng)CNC高速銑切微結(jié)構(gòu)

蘋果手機(jī)等不采用NMT或組合制程，CNC機(jī)加工仍是可靠的方式；這類方法加工品厚，結(jié)構(gòu)大且粗，殘留應(yīng)力高。

二、材料增加法(Additivematerial, AM)

1.均質(zhì)相金屬

圖：均質(zhì)相金屬陽極氧化效果

這類處理技術(shù)常用于純鋁中。當(dāng)鋁的不純物低于3wt%時(shí)，可以獲得很有規(guī)律的六方試管結(jié)構(gòu)（氧化鋁）。這類方法被熟知的應(yīng)用為鋁合金的陽極氧化，通過氧化得到六方試管結(jié)構(gòu)，試管內(nèi)加入透光染料或膠，再用封孔劑封孔，即可得到色彩靚麗的金屬表面。

2．非均質(zhì)相金屬

圖：均質(zhì)相金屬與非均質(zhì)相金屬的對(duì)比

非均質(zhì)相金屬包括壓鑄鋁合金/鎂合金/鋅合金/鈦合金等，非均質(zhì)相金屬由于結(jié)構(gòu)沒有規(guī)律，生成的氧化物納米結(jié)構(gòu)也沒有規(guī)律。

鋁合金(不純物<5%)的氧化層，是很規(guī)則的六方中空管狀物，所以適當(dāng)填入染料，可以獲得不同的顏色，很好看，光線穿透染料層反色金屬光澤；鈦合金的陽極氧化層，是不規(guī)則的連續(xù)孔洞，染料染了之后，顏色顯色沒有鋁合金好看。

哪些材料也能做陽級(jí)發(fā)色?

只要使用正確的藥水，常用有色金屬都可以陽級(jí)發(fā)色如：壓鑄鋁/鎂鋁/鋅等合金、鈦等。但必須考慮到是：

a.經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性；

b.氧化層與底材的密度必須接近(通常在50%以內(nèi)的范圍，如下表)。

表：常見金屬的陽級(jí)發(fā)色情況

3.高能氧化技術(shù)

圖：微弧氧化（左）和電暈處理（右）

高能氧化主要有微弧氧化和電暈處理。微弧氧化是通過高壓放電的形式在其表面形成氧化層的方法，微弧氧化可以大幅度提高材料表面硬度。

4. 熔射噴涂技術(shù)

熔射噴涂的能量高,增材層過厚,不適合薄件產(chǎn)品,尤其是手機(jī)外殼。熔射噴涂主要包括：

1）火焰熔射噴涂，包括粉末火焰熔射、線材火焰熔射。

2）電弧熔射-線材熔射。

3）等離子熔射，包括粉末等離子熔射、線材等離子熔射。

4）超音速拋射。

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