Кратко — причины, механизмы, факторы и практические меры.
1) Механизмы коррозии алюминия
- Формирование пассивной плёнки: на поверхности образуется оксид/гидроксид ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3/{\text{Al(OH)}}_3$, который обычно пассивирует металл и тормозит растворение.
- Анодная реакция (растворение алюминия):
$\text{Al}\to {\text{Al}}^{3+}+3e^{-}$.
- В щелочной среде образуются растворимые комплексы (алюминаты):
$\text{Al}+4{\text{OH}}^{-}\to [{\text{Al(OH)}}_4{]}^{-}+3e^{-}$ — приводит к разрушению защитной плёнки.
- В кислой среде оксид разрушается и ${\text{Al}}^{3+}$ уходит в раствор: $\text{Al}+3{\text{H}}^{+}\to {\text{Al}}^{3+}+\frac{3}{2}{\text{H}}_2$.
- Водородная эволюция на катоде при наличии воды:
$2{\text{H}}_2\text{O}+2e^{-}\to {\text{H}}_2+2{\text{OH}}^{-}$ — газообразование разрушает контакт, снижает эффективность.
- Язвенная (pitting) и локальная коррозия: агрессивные анионы (Cl${}^{-}$, F${}^{-}$) и локальные дефекты нарушают оксид и инициируют точечную коррозию.
- Гальваническая коррозия: контакт с более благородными металлами (Cu, Fe) создаёт анодную потерю Al.
2) Факторы, усиливающие коррозию
- Электролит: высокая щёлочность ($\text{pH}>11$) или сильная кислотность ($\text{pH}<4$); присутствие галогенидов (особенно F${}^{-}$, Cl${}^{-}$); вода в неводных системах.
- Окислители и растворённый кислород — ускоряют катодную реакцию.
- Примеси в алюминиевом сплаве: Fe, Cu, Si создают локальные гальванические пары.
- Механические дефекты, трещины и пористость плёнки; высокая температура $(>60^{\circ }\mathrm{C})$.
- Электрохимическая поляризация / циклирование потенциала (заряд–разряд) — «пробивание» пассивной плёнки.
- Неправильный выбор токоприёмника/контактов (Cu, сталь) — гальваническое взаимодействие.
3) Методы пассивации и материалного проектирования
- Электролитическая и химическая пассивация:
- Контролируемая анодизация для получения плотной ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$-плёнки.
- Нанопокрытия методом ALD/CVD: тонкие непрерывные слои ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$, TiO${}_2$, SiO${}_2$ — барьер против ионов и влаги.
- Конверсионные покрытия: фосфатирование, безхромовые технологии (цериевые, циркониевые, фосфатные) для индустриальной совместимости.
- Органические/полимерные и композитные покрытия:
- Слой проводящего карбона/графита или тонкий проводящий полимер (например, PEDOT, полипиррол) как защитный и одновременно проводящий интерфейс.
- Слой паро-, влагобарьерного полимера (Parylene, эпоксид) в областях, где электропроводность не требуется; либо локальные окна для токосъёма.
- Инженерия интерфейса электролит/анод:
- Искусственный SEI-подобный слой, формируемый через добавки в электролит — стабилизирует интерфейс и предотвращает прямой контакт с агрессивной средой. (Аналогично добавкам FEC/VC в литиевых системах, но подбор специфичен для Al-систем.)
- Переход к негидратным / слабоактивным электролитам: непроводящие воды и агрессивных анионов — использование ионных жидкостей или апирогенных органических электролитов, глубоких эвтектических растворителей, где алюминий стабильнее.
- Материалы анода и сплавы:
- Использовать высокочистый алюминий; минимизировать содержание Fe, Cu, Ni.
- Разработка композитных анодов: алюминий с тонким инертным покрытием или с матрицей (например, Al/graphite) для механической стабильности и предотвращения локального контакта.
- Конструктивные меры:
- Изолировать алюминиевый анод от иного металла токоприёма (использовать никелевые, платиновые или покрытые соединители) или применять барьерные покрытия между металлами.
- Контроль рабочего потенциала/диапазона заряда, чтобы не выводить алюминий в сильную анодную поляризацию, вызывающую растворение.
- Температурный контроль и дегазация/удаление влаги из ячейки.
- Химические ингибиторы:
- Добавки-инхибиторы (молибдаты, фосфаты, цериемпрепараты и др.) — могут укреплять оксидную плёнку; хроматы эффективны, но токсичны и часто запрещены.
4) Практические рекомендации для прототипа
- Проанализировать и минимизировать примеси в алюминии; отказаться от контакта с Cu/Fe.
- Изменить состав электролита: исключить свободную воду и галогениды; рассмотреть неводный/ионный электролит.
- Нанести тонкое плотное инертное покрытие (ALD ${\text{Al}}_2{\text{O}}_3$ или проводящий карбон) и/или сформировать искусственный SEI через добавки.
- Тесты: измерить коррозионную скорость методом поляризационной вольтамперометрии и EIS; исследовать поверхность XPS/SEM после циклирования, контролировать образование газов.
- Оптимизировать рабочие потенциалы и температуру; внедрить контроль качества поверхности (шлифовка, обезжиривание, термообработка).
Если нужно — пришлите состав и параметры электролита (pH, ионы, температуру, тип тока/потенциал), и я подскажу приоритетные меры и конкретные покрытия/добавки.