硫酸与草酸电解液中阳极氧化铝的同步多表面阳极氧化及阶梯状反向偏压剥离

本实验的总体目标是通过结合同步多表面阳极氧化与阶梯状反向偏压直接剥离氧化铝的方法，高效制备阳极氧化铝（AAO）。该方法有助于解决阳极氧化过程中的关键问题，并推动AAO在常规技术应用中的发展。该工艺的主要优点在于操作简便、资源利用效率高，并且避免了氯化汞等有毒化学试剂的使用。

该技术可在铝基底所有暴露的表面上形成阳极氧化铝（AAO）。在AAO剥离后，剩余的铝基底可被重复使用，从而允许从单个铝样品制备多个AAO。首先，将铝样品切割并抛光成平行六面体。

将350毫升体积比为4:1的无水乙醇与60%高氯酸溶液倒入连接低温恒温循环器的双层夹套烧杯中。根据模拟铝样品调整溶液体积，使基底的4/5部分浸入溶液中。将恒温槽温度设定为略低于7°C，并启动循环介质在烧杯外层流动，同时进行搅拌。

然后，将铝试样在丙酮中进行超声处理 30 至 40 分钟。用丙酮和去离子水冲洗基底，并在空气或氮气气流下彻底吹干。将干燥的铝基底和一根铂丝分别夹紧，固定在电解池盖上的电极引线端口上，两者相距 40 毫米。

确保铂丝与基底的宽面保持对齐。高氯酸溶液冷却后，停止搅拌。盖上烧杯盖，使基底和铂丝完全浸入溶液中。

将铝工作电极连接到可编程直流电源的正极端。将铂对电极连接到负极端。根据铝表面的状况，对铝工作电极相对于铂对电极为正20伏施加正向偏压，持续两到四分钟。

观察基底是否有残渣剥落并滑入高氯酸溶液中。当电化学抛光完成后，停止施加正向偏压，并断开可编程电源。小心地将铝基底和铂丝从溶液中取出。

用95%乙醇和去离子水多次冲洗基底，以去除残留的高氯酸。将电化学抛光后的基底保存在95%乙醇中。开始AAO制备过程：将650毫升0.3摩尔的水性草酸溶液倒入一个1升的双层夹套烧杯中，并连接低温循环浴。

根据铝制假样调整溶液液面，使基底的3/4被浸没。将浴槽温度设置为略低于15摄氏度，并开始搅拌溶液。在空气或氮气气流下将电抛光的铝基底彻底干燥。

然后，将干燥的基底和一根铂丝连接到电解池盖上，两者相距50毫米。将盖子放在烧杯上，并确认铂丝和四分之三的铝基底浸没在草酸电解液中。将正极连接到电抛光的铝工作电极，负极连接到铂对电极。

以对电极为参考，向工作电极施加 +40 伏的阳极偏压，同时以 100 至 150 转/分钟的速度搅拌，持续超过三小时。然后停止施加偏压，并断开夹子。小心地将基底从溶液中取出。

用丙酮和去离子水多次冲洗基底，以去除残留的草酸。在预处理 SMSA 后，将铬酸水溶液在加热板上加热至 60 至 65 摄氏度。将基底浸入该溶液中 1 至 2 小时，以去除预形成的 AAO 层。

然后，用丙酮和去离子水多次冲洗基底。使用数字万用表测量基底两端的电阻，以确认绝缘性前体AAO已完全去除。接着，将基底和铂丝重新安装到电解盖上，并将其浸入先前使用的草酸电解液中。

将电极以与预处理前相同的构型连接到可编程直流电源。在搅拌的同时，相对于铂对电极，向铝工作电极施加+40伏的阳极偏压。持续施加阳极偏压，直至AAO层达到所需厚度。

主 SMSA 完成后，停止施加偏压并停止搅拌溶液。将负极连接至铝电极，正极连接至铂电极。施加阶梯状反向偏压，并监测铝基底的边缘和表面是否有气泡产生和脱落现象。

当所有AAO均成功脱离，仅顶部仍附着于基底时，停止施加SRBs并断开电源。小心地将铝基底从电解液中取出，注意不要损坏部分脱离的AAO。用丙酮和去离子水对基底及部分脱离的AAO轻轻冲洗数次。

小心地在空气或氮气气流下将样品吹干。使用剃刀刀片或固定刀片手动将阳极氧化铝（AAO）从铝基底上剥离下来。将 AAO 放入培养皿中，并置于干燥器内保存。

然后，将剥离了铝基底的AAO浸入温热的铬酸溶液中30分钟，以蚀去表面残留的氧化铝。按照文本方案中的描述清洗并干燥蚀刻后的基底。根据需要，使用同一铝基底重复该制备单元序列，以在多表面工艺中继续制备AAO。

从暴露于电解液的铝基底的五个表面同时制备了AAO。该多表面工艺使用同一基底重复了五次。开放孔和阻挡层侧的扫描电子显微镜图像显示，每个AAO具有相同的形貌和尺寸。

当前时间下的数据是在预阶梯式电化学发光分析（pre-SMSA）、主阶梯式电化学发光分析（main SMSA）以及阶梯状反向偏压步骤期间采集的。对于两种SMSA而言，随着阳极电压施加时间的增加，电流水平逐渐降低。同时，随着单元序列数量的增加，电流水平也有所下降。

这归因于每次重复过程中总阳极氧化面积的减少，以及由于多个表面发生阳极氧化时体积膨胀所引起的机械应力累积。阳极氧化铝的孔道以相对较高的长径比加速有序排列。其应用包括作为一维结构的无孔模板、膜过滤器、蒸发或刻蚀掩模以及其他策略性偏置元件。

在铝单表面上制备AAO的传统方法生产产率较低，尤其是在两步阳极氧化过程中。通常使用氯化汞等有毒化学物质破坏残留的铝，从而将AAO从铝基底上分离。本技术采用更环保且高效的方法，具有应用于大规模生产的潜力。

阶梯式反向偏压剥离技术相较于传统的扰动方法或恒定反向偏压剥离，是一种具有显著优势的协同策略。一旦掌握，该技术可被灵活应用于制备具有不同特征的阳极氧化铝（AAO），以满足特定应用的需求。前提是操作必须得当。

未来的研究方向包括找到一种合适的方法来分散击打力，这将使该技术能够应用于其他阳极氧化过程，并进一步提高产率。