行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
鋁合金陽極表面處理機能設計與研發
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 99-2622-E-151-016-CC3 執 行 期 間 ： 99 年 06 月 01 日至 100 年 05 月 31 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學機械工程系 計 畫 主 持 人 ： 鄭宗杰 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：陳韋廷 碩士班研究生-兼任助理人員：王麒嘉 處 理 方 式 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，研究成果報告(精簡版)2 年後可公開查詢中 華 民 國 100 年 08 月 28 日
行政院國家科學委員會補助產學合作研究計畫成果精簡報告
計畫名稱：鋁合金陽極表面處理機能設計與研發 計畫類別：技術及知識應用型 計畫編號：NSC 99-2622-E-151 -016 -CC3 執行期間：99年07月01日至100年06月30日 執行單位：國立高雄應用科技大學 計畫主持人：鄭宗杰助理教授 計畫參與學生： 姓 名 年 級(大學部、碩 士班、博士班) 已發表期刊論文或已申請之專 利(含大學部專題、碩博士期刊 論文) 工作內容 陳韋廷 碩士班 以陽極處理製備6061-T6氧化 膜及特性研究 陽極處理製程規劃 與測試 王麒嘉 碩士班 陽極處理槽設計與 製作 計畫參與研究人員(光陽)： 姓 名 職稱 五年內是否有參與政府相關研 發計畫 工作內容 許文雄 股長 是 陽極處理製程規劃 與查核 張志宏 課員 是 陽極處理槽設計與 製作 合作企業簡介 合作企業名稱：光陽工業股份有限公司 計畫聯絡人：李芳如 資本額：583 萬元 產品簡介： 1. 穩定、高效能及高效率的動力源裝置(POWER DEVICE) 2. 動力源裝置之整合系統產 3. 各式動力計 網址：http://www.kymco.com.tw/www2010/index.asp 電 話（07）3822526 轉513 傳 真（07）3824497(一) 研究摘要：
關鍵詞：陽極處理、草酸、硫酸、奈米孔洞摘要
本計劃研究方向主要針對鋁合金進行陽極處理並觀察其孔洞之孔徑大小、排列規則性 與陽極處理膜材料特性之關係並研究開發相關新製程。計畫首先自行設計一陽極處理，槽 並利用此處理槽將鋁材施以陽極氧化之電化學反應，使其表面形成成奈米孔洞之氧化鋁薄 膜結構特性。由於此薄膜之孔洞大小與其排列方式可隨參數之調整來控制，加上陽極處理 比其他相關表面處理方式操作步驟簡單並具有成本低廉之特性，故其發展性潛力極高，可 用於協助光陽工業突破鋁合金陽極氧化技術之瓶頸以提升產品競爭力。(二)人才培育成果說明
： 1. 計劃主持人而言，將過去在國家奈米實驗室以及各項計畫中所獲得的經驗整合，並將其 擴展至產業界的應用上，並在研究成果從學術界轉換產業過程中，扮演一個督導與整合 的角色，亦能從中學習到新的知識。 2. 對於參與計畫執行的研究生，可接觸並瞭解現今產業界的概況，並從解決問題中訓練資 料收集與同整、理論推導與驗證、製程設計與進行、檢測與比對的能力，並從中增進邏 輯思考與表達自我的能力，進而成為對國家與產業界有貢獻的教育或工程人員。 3. 執行此產學計畫，呼應了高雄應用科技大學的學以致用的宗旨，同時拓展師生的工程視 野，使其跳脫傳統技術的固有應用範圍，並將舊有的教育理論和思維與新的產業應用作 結合，培訓學生在日後在產業技術轉型的因應能力。 4. 公司在透過產學合作計劃的執行中，可透過與學術單位交流以及新的資訊衝擊下，給予 參與計畫的研究人員在訓練的機會，並且也藉此招募更多相關領域的人才，使本公司的 研發能力向上大幅的提升，相對之下公司本身的競爭力也更加提升，更能打入國內外的 市場。(三) 技
術研發成果說明：
在研究上，本研究選用鋁材6061-T6作為基材，首先利用機械拋光降低其粗糙度，著利 用一連串的前處理過程對試片進行清潔的動作，並經過電化拋光使其達到光滑的效果，最 後施以單一陽極處理(Anodization)，其實驗流程如下表： 製程 解說 機械拋光 使用砂紙對鋁材6061-T6作粗拋的動作，依序以號數600、1200 至2000 後， 再使用0.3μ 氧化鋁粉細抛光。 前處理 將試片分別以氫氧化鈉、丙酮、硝酸清洗試片表面油污雜質。 電化拋光 將試片置於陽極浸入高氯酸及酒精以1：4 之比例配置電解液中以電壓10-2 0V通電5-15分鐘進行電化拋光 陽極處理 將燒杯加入適當的離子水，然後加入調配所需濃度的草酸粉末或硫酸溶液 (0.1M、0.3M)攪拌溶至解均勻後，放置於冰水機中並持續攪拌，等電解液 降至所設定溫度時即可開始進行實驗。 將試片置於陽極，石墨片置於陰，並置入電解液中，通以一直流電(Gw Instek GPR-16H50D)開始進行處理。草酸所設定的電壓為25V~100V， 硫酸為 25V~60V。到達所設定之時間後，取出試片以去離子水清洗並以氮氣槍吹 乾 在本實驗的過程中，對於陽極處理後之鋁合金化鋁已有初步之成果，並由實驗所得到 之研發成果如下表所示: 項次 成果 1 鋁材6061-T6經拋光處理後可達到50nm以下之平均粗糙度 2 鋁合金經硫酸陽極處理後其孔洞可達到 15~30nm 3 經混酸陽極處理後其硬度可達 400Hv 4 經混酸陽極處理後其厚度可達 100um 5 經混酸陽極處理後其耐電壓可達到75 /mm在陽極處理前有無進行拋光，對其陽極氧化後的薄膜有相當大的影響，圖1為有拋光與 無拋光後的氧化鋁薄膜的耐電壓性值的比較，可發現較大的粗糙度影響其量測的準確性， 使其趨勢較不規則。其原因為在粗糙度較高的表面進行陽極處理時，電場會集中於表面的 刮痕與基材缺陷處，使孔洞易於刮痕凹陷處產生，表面的阻障層成長厚度及孔洞分佈會因 此較不均勻，進而降低氧化膜上的孔洞形狀與排列的規則性。經由電化拋光後再進行陽極 處理，其所量測的薄膜耐電壓性則會呈現較規則的趨勢。由此可得知降低表面粗糙度除了 影響孔洞分佈規則性外，薄膜成長也較為均勻，這對於後續的量測分析也會較容易掌控。 圖一、不同粗糙度與耐電壓的關係 圖2為利用EDS對鋁合金基材與陽極處理後的試片進行量測，從圖2(a)的結果可得知所 用的鋁基材為鋁鎂矽合金。另外還可分別發現圖2(b)、(c)中除了有鋁及氧元素外，還存在 電解液的元素。如使用草酸與硫酸各會殘留碳元素與硫元素。一部份可能是表面試片在陽 極處理後孔洞中殘留電解液，另一方面也有可能是氧化鋁中含有電解液成分。其現象可由 文獻得知，鋁在陽極氧化時除了基材中的鋁原子會與電解液中的氧原子結合外，電解液本 身也會與基材的鋁原子結合。
圖2 氧化膜化學元素分析(a)試片基材(b)草酸(c)硫酸
圖3為將在硫酸與草酸中製備的氧化鋁試片分別作晶相繞射分析，為避免因膜厚不夠而 造成X-ray打到鋁基材而影響分析準確性，故選用低掠角進行繞射分析。由結果得知本實驗 所得的氧化膜並無明顯峰值，顯示氧化膜表面形態屬於非晶型態。
圖4為與圖5為草酸及硫酸在不同濃度及電壓下進行陽極處理的膜厚量測與耐電壓，結 果顯示在相同處理時間下操作電壓越高時膜厚越大，因電流會隨著電解液濃度及施加電壓 的增加而提昇，且提昇後的電流會造成阻障層間的離子交換速度加劇使其成長速率加快， 同時也會增加氧化膜的溶解速率。當電流增大至一定極限時，氧化膜的溶解速率會大於生 成速率，此時氧化膜的膜厚反而會下降，所以需要在適當的操作條件下，提高的電壓才能 帶動成長速率的提升進而使氧化膜厚度增加。從本研究的成長趨勢呈現上升中，可得知所 設定參數的成長速率仍大於溶解速率。 圖4 (a)草酸(b)硫酸在不同操作電壓及濃度其氧化膜厚度與耐電壓的變化情形 圖5 (a)草酸(b)硫酸氧化膜在不同操作電壓及濃度其電場的變化情形 圖6、圖7是利用SEM觀察草酸及硫酸在陽極處理後表面的孔洞大小形貌 於圖7中可發現 硫酸在電壓提高時孔洞所佔有的面積卻逐漸下降。從文獻得知反應速率受施加的操作電壓 影響，硫酸的成長速度較快，當電壓提升時會使阻障層增厚，而孔洞底部的阻障層呈現半 圓形貌，因此阻障層的增厚會導致孔洞間距亦隨之增加。 圖6 草酸陽極處理在不同電壓時表面形貌圖(a)60V(b)80V(C)100V
(a)
300nm 300nm(b) (c)
300nm圖7 硫酸陽極處理在不同電壓表面形貌圖 (a) 40V(b)50V(c)60V 由圖 8(a)可看見草酸氧化膜隨著電壓的增加其孔隙率並沒有太大的變化，但硬度卻呈 現上升的趨勢其原因可以由 O. Jessensky 等人所提出的成長方式來解釋，在陽極處理時， 鋁轉變成氧化鋁過程會產生體積膨脹導致鋁/氧化鋁界面產生應力，應力會隨著氧化鋁的厚 度增加而累積提升，所以可看到圖中陽極處理硬度隨電壓提升而提升。在圖 8(b)中硫酸氧 化膜其孔隙率隨著電壓上升而下降，在初期因為孔隙率下降使得微硬度上升，當電壓達到 50V 以上時可發現硬度值呈現逐漸下降趨勢。因氧化膜硬度逐漸加大的同時應力也逐漸增 大，當達到一定的極限值時就會有裂痕產生來釋放應力。另外電壓的提升帶動了電流的提 升，當電流逐漸提升時，硬度值會隨著電流的增加而下降，因為太高的電流會讓氧化膜的 成長速率過快，導致大量的熱能產生，當熱能散發較慢造成試片表面溫度上升時，會造成 腐蝕速率增加進而腐蝕氧化鋁，使其氧化鋁成長上較不規則及鬆散較易被電解液融解，硬 度值也隨之下降。 圖8 (a)草酸(b)硫酸氧化膜再度同電壓下其孔隙率與微硬度的變化情形
(a) (b) (c)
300nm 300nm 300nm本研究針對不同電解液及製程參數成長之陽極氧化膜探討，可以發現電壓及電流密度 的大小將會左右氧化膜的成長速率，當提高電流密度時，膜層的生長速度會加快，氧化時 間缩短，並且膜層的硬度也會提高。草酸的耐電壓值主要是隨著氧化膜的厚度提昇而增加。 硫酸在操作電壓40V之後雖然厚度仍繼續增加，但因結構較為鬆散與缺陷的增加，進而導致 耐電壓值的下降。在草酸方面其微硬度隨著電壓上升而上升，而其孔隙率卻沒有明顯的變 化，而硫酸雖然孔隙率隨著電壓增加而下降，但在較高的電壓時，大量的熱產生將會造成 裂縫，硬度反而因此降低，所以要得到優質的氧化膜，就要依據不同材質的材料，從中選 擇適當的電壓。
(四) 技術特點說明：
在鋁的表面處理技術中目前鋁的表面處理方式大致可分為三種：(1)化學處理法、 (2)電鍍法、(3)陽極處理法。成本較為低廉是其特色，其中又以陽極處理法最為常用，其 技術發展至 1927 年時，Gower 與 O＇Brien 等人獲得陽極處理硫酸法專利權因而廣泛使用 在工業界，而在日本與德方面運用草酸法陽極處理最為廣泛，近期也有磷酸法陽極氧化處 理運用在高科技產業裡。 陽極處理過後的氧化鋁膜，在硬度、耐蝕、電絕緣性、絕熱性、耐熱性皆有不錯的表 現，且其在 1953 年時被發現其在氧化後具有六邊形(Hexagon)高規則奈米級孔洞陣列結構 後，大量的被應用在微小結構的製作上，如果在加上不同製作流程還能改變材料本身的特 性，如利用奈米壓印等。 本研究計畫應用陽極處理技術並結合國家奈米實驗室以及中山大學跟國立高雄應用 科技大學現有之 SEM、XRD、EDS 等物質分析技術，分析表面結構及各種材料特性，以製造 低成本之陽極化鋁，整各計畫包括: (1)材料特性之確認;(2)表面拋光製程之改良;(3)陽極 處理參數之控制; (4)表面結構之分析等項目。若產品開發成功將應用於車體製造上，取代 現有之車體材料，進而降低磨耗與腐蝕問題。
(五) 鋁陽極處理技術可應用於其他產業之產品開發：
1.耐腐蝕(corrosion resistance):氧化物較金屬更安定，所以更耐腐蝕 2.塗裝附著性(paint adhesion) :應用於太空及軍事零件 3.電鍍鋁:鋁經陽極處理後適合電鍍，因鋁陽極處理表面為不連續氧化鋁孔洞薄膜層,在磷 酸鍍浴中會形成導電性變成可電鍍，而許多孔產生內鎖反應因而使鍍層附著性增加。 4.裝飾(decorative appearance):用不同鋁合金、前處理及陽極處理方式可得非常耐久的 各種裝飾性表面。 5.電絕緣(electrical insulation):陽極氧化鋁薄層絕緣性很好並可耐高溫可應用在電容 器工業上。 6.照相底板(photographic substrates):陽極處理所形成的多孔表面，將感光性物質滲入 孔中可得到如同照相底片之氧化鋁薄膜7.發射性及反射性(emissivity and reflectivity)：可用於太空、電子及機械等光熱應用 上。
8.耐磨性(abrasion resistance)：在低溫(-4~10℃)之硫酸電解液陽極處理可得非常硬且 具有耐磨特性的陽極氧化薄膜，可應用在齒輪、活塞、葉片、燃料噴角。
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
日期:2011/08/22國科會補助計畫
計畫名稱: 鋁合金陽極表面處理機能設計與研發 計畫主持人: 鄭宗杰 計畫編號: 99-2622-E-151-016-CC3 學門領域: 加工與製造研發成果名稱
(中文) 汽缸活塞之鋁合金陽極表面處理 (英文)成果歸屬機構
國立高雄應用科技大學發明人
(創作人)
鄭宗杰,陳韋廷技術說明
(中文) 本計劃主要是研究單酸與混酸(Mixed acid, 草酸加硫酸)對鋁合金6061-T6施以 單一陽極處理(Anodization)所成長的氧化膜進行特性研究。所要探討的製程參 數包含：電解液種類、濃度、溫度及施加電壓。研究製程參數對於陽極氧化膜 (Anodic Aluminium Alloy Oxide, AAAO)膜厚、表面型貌、硬度、耐電壓特性的 影響。並期望能夠使用於未來半導體之抗電漿轟擊元件或汽缸之活塞表面處理。 (英文) An improved single-step anodizing process of aluminium alloy(6061-T6) used by mixed acid (oxalic and sulphuric acid) to achieve high growth rates, high breakdown voltage and high hardness of the anodic oxide film was investigated. Self-order anodic aluminium alloy oxide(AAO) which is used widely in the surface modification of alumium alloys has many applications, such as the storage devices, nanodevics templates, sensors and aerospace industries. In this project, the results indicate that the hardness of AAO film with mixed electrolytes is higher than others because it has lower porosivity. Besides, increasing the applied voltage will increase the breakdown voltage of AAO film with oxalic or sulfuric electrolyte because the thickness of AAO film will increase with higher applied voltage.產業別
金屬業；電機及電子機械器材業；手工具製造業；其他工業製品製造業技術/產品應用範圍
1.太陽能板之吸收膜 2.半導體之多孔片 3.汽機車之活塞 4.生醫表面處理 5.航太用材料表面處理技術移轉可行性及
預期效益
1.大型陽極氧化處理設備設計規劃 2.建立陽極氧化電解液種類、濃度、電壓、反應時間、反應溫度之影響性相關標準參數 表格 3.大型規則排列孔洞之氧化鋁薄膜工件製作 註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。99 年度專題研究計畫研究成果彙整表
計畫主持人：鄭宗杰 計畫編號：99-2622-E-151-016-CC3 計畫名稱：鋁合金陽極表面處理機能設計與研發 量化 成果項目 實際已達 成數（被接 受或已發 表） 預期總達成 數(含實際 已達成數) 本計畫 實際貢 獻百分 比 單位 備註（質 化 說 明 ： 如 數 個 計 畫 共 同 成 果、成 果 列 為 該 期 刊 之 封 面 故 事 ...等） 期刊論文 0 0 100% 研 究 報 告 / 技 術 報 告 2 2 100% 研討會論文 1 1 100% 篇 1.W.T. Chen, T. H. Chen, C.C. Yang, S.H. Ju, D.T. Thuan, F. R. Li, W. X. Xu, Z. H. Zhang, T.C. Cheng, 中華民國力學學會第三十 四屆全國力學會議,雲林, H1008, 19-20 Nov. (2010) 2. 論文著作 專書 0 0 100% 申請中件數 0 0 0% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 1 1 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 2 2 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 國內 參與計畫人力 （本國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 期刊論文 0 1 0% 已經投稿出,仍在審查中 國外 論文著作 研 究 報 告 / 技 術 報 告 0 0 100% 篇研討會論文 2 2 100%
1.T. C. Cheng*, C. C. Yang, ’Mechanism and Properties of anodic oxidation film on aluminium alloy’, 7th International Conference on Nanosciences and Nanotechnologies(NN10), Ouranoupolis Halkidiki,Greece, P2-6, July 11-14 (2010). 2. T. C. Cheng*,’’The fabrication and properties of anodic alumimum alloy oxidation’’, The Fifth Global Chinese Aeronautical Technology Conference, Shanhai,China,p.19, August 8-10(2011) 專書 0 0 100% 章/本 申請中件數 0 0 100% 專利 已獲得件數 0 0 100% 件 件數 0 0 100% 件 技術移轉 權利金 0 0 100% 千元 碩士生 0 0 100% 博士生 0 0 100% 博士後研究員 0 0 100% 參與計畫人力 （外國籍） 專任助理 0 0 100% 人次 其他成果
(
無法以量化表達之 成果如辦理學術活 動、獲得獎項、重要 國際合作、研究成果 國際影響力及其他 協助產業技術發展 之 具 體 效 益 事 項 等，請以文字敘述填 列。) 1.技術已經完全轉移至光陽工業股份有限公司並協助完成機台架設與製程(參照 計劃書內容) 成果項目 量化 名稱或內容性質簡述 測驗工具(含質性與量性) 0 課程/模組 0 科 教 處 電腦及網路系統或工具 0教材 0 舉辦之活動/競賽 0 研討會/工作坊 0 電子報、網站 0 計 畫 加 填 項 目 計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0
