绝缘铝芯绕组线阳极氧化改性工艺与性能研究

摘要

铝制绕组线因其具有重量轻、比强度高等一系列优点，比传统的铜芯绕组线能够更好地满足航空航天飞速发展的要求。同时氧化铝陶瓷由于其具有较高的硬度和电阻率、良好的耐腐蚀和耐磨性等优点，并且相比于其他陶瓷绝缘薄膜材料的制备方法更为简单，因此是一种极具潜力的绕组线绝缘材料。通过在铝丝表面制备一层氧化铝薄膜，可得到综合以上优点的绕组线，应用前景十分广阔。
　　本课题以制备具有良好耐蚀性、绝缘性和耐击穿电压性能的氧化膜层为主要目标，采用操作工艺简便、对设备要求较低的阳极氧化方法在铝丝表面制备了氧化铝薄膜，进而得到绝缘铝芯绕组线。首先探究了不同成分的电解液对氧化膜层微观组织结构和性能的影响，得到最优的混合酸电解液配比为：H2SO4153.3 g /L；H2C2O4 20 g/L；H3BO333.3 g/L；C3H8O316.7 g/L。其次，采用正交试验法，以氧化膜厚度和增重为评价指标对阳极氧化工艺参数进行优化，初步确定最优制备工艺参数为：温度10℃，电流密度7 A/dm2，时间60 min，此条件下得到的膜层综合评价指数(G)最大。在此基础上通过控制单因素变量法，分别改变温度和电流密度来精细表征氧化膜的组织结构和性能。采用涡流测厚法、X射线衍射法，电子扫描显微镜、透射电子显微镜和极化曲线测试以及交流阻抗谱测试等方法，分析得到的主要结论如下：
　　相同电流密度下，随温度升高，膜层厚度呈下降趋势，孔径增大；温度相同，电流密度增大，膜层厚度增加，孔径增大。经沸水封孔处理，氧化膜表面呈网络状结构，微米孔洞消失，封孔效果好。经封孔+热处理后，大部分试样的耐腐蚀性能下降，阻抗降低。
　　氧化工艺30℃，1 A/dm2所制备的陶瓷层在氧化后处理前后都具有优异的耐腐蚀性能和阻抗性能。经封孔处理后，电流密度为7 A/dm2所制备的氧化膜层的耐蚀性和阻抗提升最大。
　　阳极氧化陶瓷层的经封孔处理后的耐击穿电压值良好，在10oC，5A/dm2时高达0.99kV。经过热处理后，陶瓷层的耐压值均有所降低，最小降低比例为10.3％，最大降低比例为94%，30℃时的平均降低比例最小。阳极氧化膜的纳米硬度从基体/氧化膜界面处向表面逐渐变大。试验参数范围内，相同电流密度，温度越高纳米硬度越高；相同温度时，电流密度越大，纳米硬度越大。35℃，7 A/dm2时的表面纳米硬度达到最大，为2.15 GPa。阳极氧化对铝丝的拉伸强度会产生不利影响，特定参数时可以实现增强效果，35℃，5 A/dm2时有最大值113.4 MPa。一定温度下，随电流密度增大，抗拉强度呈先增大后减小的趋势。试验参数范围内的抗拉强度均达到70 MPa以上，符合实际应用中的标准。采用缠绕法测试铝丝的柔韧性。相同温度下，随电流密度的增大，膜层厚度增大，膜层表面裂纹增多，柔韧性下降。厚度小的膜层具有较好的柔韧性。
　　本文研究工作为铝丝表面阳极氧化的工艺开发出一种新的混合酸电解液并得到了最优工艺组合，为实现提高绝缘铝芯绕组线的耐腐蚀性能、耐击穿电压性能、硬度和抗拉强度的目标提供了可能，为促进铝芯绝缘绕组线在航空航天领域的应用提供技术支撑。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究的背景和意义

1.2国内外在该方向的研究现状分析

1.3铝合金阳极氧化技术的发展与研究现状

1.4本文的研究目的和主要研究内容

第2章 试验材料、设备及研究方法

2.1试验材料及化学试剂

2.2试验设备

2.3阳极氧化陶瓷层的制备及后处理

2.4阳极氧化陶瓷层的组织结构分析方法

2.5阳极氧化陶瓷层的性能表征方法

第3章 铝阳极氧化工艺参数的设计

3.1混合酸电解液的设计

3.2铝表面阳极氧化参数的正交试验设计

3.3阳极氧化参数对铝片增重和膜层厚度的影响

3.4恒流模式下铝阳极氧化过程研究

3.5本章小结

第4章 铝阳极氧化膜的组织结构表征

4.1试验参数对氧化膜的组织结构的影响

4.2经氧化后封闭处理的膜层组织结构

4.3经封孔和热处理后的膜层组织结构

4.4本章小结

第5章 铝阳极氧化膜的电化学行为研究

5.1阳极氧化铝及后处理后的极化曲线

5.2阳极氧化铝及后处理的交流阻抗谱

5.3 本章小结

第6章 铝阳极氧化膜的电性能和力学性能

6.1不同处理的氧化膜层的耐击穿电压性能

6.2氧化膜层的纳米硬度

6.3阳极氧化铝丝的拉伸性能

6.4缠绕法测试阳极氧化铝丝的柔韧性

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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