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一、金属的表面处理
1.材料加工处理的重要意义与方法。 (1)重要意义:应用化学原理和化学技术对材料进行加工,往往能收到其他加 工方法难以达到的效果。 (2)材料加工处理的方法。 要提高金属材料表面的耐腐蚀性能,可以用化学方法改变金属材料表面的 成分。例如,在足够高的温度下,在金属表面渗入某些其他元素;用电化学方 法或其他化学方法使金属表面生成一层具有防腐蚀性能的金属氧化物膜 或金属盐膜。
探究点一
探究点二
探究点一
金属表面处理
一、铝的阳极氧化的过程
1.表面预处理。 铝材及其制品表面都会不同程度地存在着污垢和缺陷。 氧化处理之前,要用 化学和物理的方法对制品表面进行清洗,裸露出纯净的金属基体,使得氧化 着色顺利进行。 (1)除去铝制品表面的油污。 把铝制品浸入 60~70 ℃含 30~40 g· L-1 碳酸钠和 50~60 g· L-1 磷酸三钠的溶液中,不断翻动,直到油污被除尽(新的铝制品只要 浸 2~3 min),处理后分别用热水和冷水清洗。 (2)碱液侵蚀。 碱液侵蚀是铝制品在添加或不添加其他物质的氢氧化钠溶液 中进行表面清洗的过程,通常也称为碱腐蚀或碱洗,作为铝制品经某些脱脂 方法脱脂后的补充处理,进一步清理铝制品表面附着的油污脏物,清除铝制 品表面的自然氧化膜及轻微的划擦伤。一般可以把去油污后的铝制品浸入 60~70 ℃、 含 60~80 g· L-1 氢氧化钠的溶液中,这时铝的表面有大量气泡生成。 侵蚀时间不应超过半分钟,随即分别用热水和冷水清洗。
探究点一
探究点二
2.阳极氧化。 用 180~200 g· L-1 的硫酸作电解液,以铝板或石墨作阴极,铝制品作阳极,接上 13~24 V 的电源。开始时,阳极电流密度应控制在 0.5 A· dm-2 左右,1 min 后 把电流密度加大到 0.8~1.5 A· dm-2。电解温度保持在 13~26 ℃范围内,经 30~40 min 氧化完成。 3.染色。 用冷蒸馏水仔细清洗铝制品,再将其浸在 1%的氨水(用蒸馏水配制)中, 中和可能残留在孔隙中的酸液。然后将铝制品立即浸入事先准备好的染色 溶液中染色。 可选用专门染丝、 毛织物的一些有机染料,也可选用无机染料。 染色液的 pH 可以用氨水或醋酸调节。染色的深浅可以通过染色时间的长 短来控制。
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(3)电镀工艺。 在电镀工艺中,要求在镀件上析出的镀层厚度均匀、 光滑致密、 与底层金属 的附着力强。 ①使用少量表面活性剂能改善镀层性能。表面活性剂能除去金属表面的油 污,使镀液易于在电极表面均匀铺展开来;它还容易附着在电极表面,对金属 离子在电极上的放电起到一定的阻碍作用,使金属镀层细致均匀。 ②人们常在电镀液中加配合剂,金属离子与配合剂形成配合离子后,金属离 子的浓度明显降低,金属在镀件上析出速率得到控制,从而得到质量较好的 镀层。以往多用氰化物作配合剂,它是极毒物质,电镀废液排放前要进行处 理,以免产生污染。现在推广无氰电镀。 ③还可以在电镀液中加入其他添加剂,如光亮剂、 平整剂等有利于提高镀层 的质量。 ④有时需要调节电镀液的酸碱度、控制电镀时间和温度,保证镀层质量。
专题4
材料加工与性能优化
第一单元
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
材料的加工处理
材料加工工艺
1.知道材料是社会进步的物质基础,了解材料加工和性能优化与化学科学 发展之间的关系。 2.知道金属表面处理技术的重要性。 通过实验探究活动,了解铝的阳极氧化, 了解利用电解原理进行金属表面处理的方法。 3.以氢氟酸蚀刻玻璃、用氯化铁制作电子线路板的工艺为例,了解化学腐蚀 在材料加工处理中的应用。
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3.电镀。 (1)概念。 电镀是运用电解原理,在金属器件表面形成一薄层有抗腐蚀、 抗磨损能力的 金属镀膜的过程。 (2)电镀原理。 通常,在镀槽中,待镀的金属器件与电源的负极连接作阴极,镀层金属与电源 的正极连接作阳极,所使用的电镀液含有镀层金属离子。通电后,电镀液中 的金属离子在电位差的作用下移动到阴极放电形成电镀层,阳极的金属形 成金属离子进入电镀液,使得电镀液中镀层金属离子的浓度几乎保持不变。
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二、腐蚀加工技术
1.材料的加工技术。 使用金属材料和其他材料时,都要进行加工,如切削、雕镂、焊接、刨光、 造型等。 除了机械加工方法外,化学加工法在材料加工技术中也得到广泛的 应用。化学腐蚀加工技术就是其中一例。 2.氢氟酸蚀刻玻璃。 (1)氢氟酸。 氢氟酸是一种弱酸,是氟化氢的水溶液。氟化氢是无色气体,有毒,极易溶于 水,它的水溶液(或氢氟酸)能与玻璃中的二氧化硅反应生成四氟化硅气体, 反应的方程式为 4HF+SiO2 SiF4↑+2H2O。 (2)蚀刻玻璃。 利用氢氟酸对玻璃的腐蚀作用可以将玻璃的一面腐蚀,使之变得不透明,制 成“毛玻璃”,也可利用这一方法在玻璃上雕刻花纹图案、制成工艺品。
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2.铝的阳极氧化。 (1)铝及铝合金的阳极氧化,能使铝及铝合金的表面生成致密的氧化膜。 (2)铝的阳极氧化。 把铝片接到电源的正极,在稀硫酸中用直流电电解,铝片表面生成较厚的氧 化铝绝缘膜,这种方法叫做阳极氧化。经过抛光处理的铝制品,表面再经过 阳极氧化生成透明的阳极氧化膜,增强了铝制品的抗腐蚀和抗机械划伤能 力。阳极氧化膜中有微孔,在接近 100 ℃的水中,氧化膜发生水化,体积膨胀, 其中的微孔被挤紧堵塞。由于有孔层具有很强的吸附性能,在封孔处理前, 添加有机染料可以将膜染成各种鲜艳的颜色。 家用铝制品表面的氧化膜是怎么形成的? 家用铝制品表面的氧化膜是通过铝的阳极氧化形成的。
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3.电路板的制作。 (1)Fe3+的氧化性。 Fe3+具有氧化性,在酸性溶液中其氧化性较强。如它在酸性溶液中与 KI 溶 液混合,生成 Fe2+和 I2,反应的离子方程式为:2Fe3++2I2Fe2++I2 再如 Fe3+在酸性溶液中氧化 Cu,反应的离子方程式为: 2Fe3++Cu 2Fe2++Cu2+ (2)浓三氯化铁溶液腐蚀敷铜板。 在电子工业上,用浓三氯化铁溶液腐蚀敷铜板制作印刷电路板是化学腐蚀 加工的另一个常见的例子。 在敷铜板上,用类似照相复印的方法将设计好的电子线路用感光胶印在铜 箔上,然后将图形以外不受感光胶保护的铜箔用浓三氯化铁溶液腐蚀除去, 反应的化学方程式为: 2FeCl3+Cu 2FeCl2+CuCl2 上述反应中,Cu 在 FeCl3 浓溶液中被氧化为 Cu2+,Fe3+被还原为 Fe2+。