国内铝合金阳极氧化工艺专利分析.pdf

106科学技术Science and technology国内铝合金阳极氧化工艺专利分析尹晓琳，孟渊摘要：铝合金是一种轻金属材料，其以铝为基体，通过添加其他合金化元素而形成。由于铝合金具备质量轻、硬度高、导电导热性能优异等特点，因此被广泛应用于航天、车辆、电子产品等领域。阳极氧化是一种传统的强化铝合金表面的工艺，可提高其耐腐蚀、耐磨、硬度等性能，并赋予其良好的外观。本文以中国发明专利数据库中近20年铝合金阳极氧化工艺相关专利申请为基础，整理阳极氧化工艺对铝合金的作用，并通过构建合理的检索式获取相关数据，分别从申请趋势、国内重要申请人和阳极氧化铝合金性能分布方面进行分析，旨在为行业发展提供相关建议。关键词：铝合金；阳极氧化工艺；专利分析铝及其合金由于其比重小、加工性能好、导电、导热性能优良、塑性好、抗大气腐蚀能力强、易于成形、价格便宜等优点，广泛应用于轻工、建材、航天、电子等领域。然而，在自然条件下，铝及其合金具有较强的氧亲和力，容易发生氧化反应，形成一层非晶态的Al2O3。由于自然状态下的氧化反应产生的氧化膜较薄，不具备强大的耐腐蚀性能，无法满足实际生产需求，因此人们开始采用阳极氧化法来强化铝合金表面。阳极氧化膜不仅具有良好的力学性能、很高的耐蚀性，还具有较强的吸附性，采用各种着色方法处理后能获得诱人的装饰外观。由于阳极氧化在国外已经成为一个成熟的工艺，因此在国内铝合金阳极氧化领域，大部分企业前期均是采用现成的工艺对铝合金进行处理。但随着我国经济的迅速崛起和工业的快速发展，铝合金的应用越来越广泛，传统阳极氧化工艺处理的铝合金已经不能够满足部分行业的性能要求。因此，近年来越来越多的企业开始尝试对阳极氧化工艺进行改进，以提高铝合金的性能，并申请相关专利保护自己的创新成果。本文通过对近20年国内铝合金阳极氧化领域相关专利申请进行分析，以期为行业发展提供参考。1 专利申请数据分析1.1 申请量趋势图图1展示了国内近20年来铝合金阳极氧化工艺专利申请量的趋势。从图中可以看出，在2008年之前，国内铝合金阳极氧化领域的专利申请量相对较低。这可能是因为铝合金的阳极氧化工艺最初源于国外，早期已经发展成为一种相对传统的技术，并且在传统的铝合金应用领域，如车辆、船舶、轻工建材等领域，国外已经构建了较高的专利壁垒，导致国内在20世纪时期该领域的专利申请量相对较少。另一方面，在高精尖行业，如航天、航空等领域，由于涉密等原因，相关航天企业很少申请该类专利。然而，自2008年以后，铝合金阳极氧化领域的专利申请量逐年逐步增多，直至2019年左右达到顶峰。这可能是由于近年来我国工业发展的原因，尤其是在2008年以后电子、车辆等行业得到了充分的发展，对铝合金的研发也越来越重视。在商业化较重的行业中，专利是一种保护企业创新的手段，同时也是展示企业研发能力的途径。因此，在该阶段国内专利申请量逐步增加。值得注意的是，2021年和2022年的申请量相对较少。这可能是因为部分专利还未被公开。总之，通过图1可以清晰地看出国内铝合金阳极氧化领域的专利申请量趋势，并且可以为相关领域的研究提供参考。1737210111018274538444868777566562302040608010020032004200520062007200820092010201120122013201420152016201720182019202020212022图1 国内铝合金阳极氧化工艺专利申请量趋势图1.2 国内重要申请人分析根据图2，我们可以看到国内重要申请人申请量前十位排名。这些申请人所在的行业分布相对均匀，包括高校、电子精密企业以及传统铝合金制造企业。排名第一的北京航空航天大学和排名第八的南昌航空大学是航空航天领域的老牌院校。两位申请人在航空用107科学技术Science and technology铝合金阳极氧化领域均有较深的造诣。其中，北京航空航天大学的刘建华教授团队通过添加石墨烯、硼酸等添加剂和改善酸性体系等手段，开发出了环保绿色的阳极氧化工艺，并以此为重点申请相关专利。南昌航空大学的王梅丰副教授团队则通过对阳极氧化电解液的成分进行改进，如添加植酸、草酸等物质，提高工艺的环保性和氧化膜层的耐腐蚀性等性能，并以此为重点申请相关专利。024681012北京航空航天大学深圳天珑无线科技有限公司广东欧珀移动通信有限公司沈阳富创精密设备有限公司辽宁忠旺集团有限公司佛山市高明高盛铝业有限公司浙江苏泊尔股份有限公司南昌航空大学比亚迪股份有限公司汉达精密电子(昆山)有限公司图2 国内重要申请人申请量前十位排名深圳天珑无线科技有限公司、广东欧珀移动通信公司以及汉达精密电子（昆山）有限公司，在3C电子产品如手机、电脑等方面有着较深的研究。随着3C电子产品的发展，普通塑料外壳已经不能满足人们的需求，铝合金因其具有极强的金属光泽和优异的硬度等性能，逐渐取代塑料作为3C电子产品的外壳使用。上述两位申请人为了提高铝合金在3C电子产品上的适用性，采用阳极氧化处理工艺对铝合金进行表面处理。主要是通过提高硫酸的浓度、调整反应温度、控制电压等手段，改善铝合金外观观感，提高铝合金的耐腐蚀、耐磨和耐指纹等性能，并以此为重点申请相关专利。沈阳富创精密设备有限公司、辽宁忠旺集团有限公司、佛山市高明高盛铝业有限公司、浙江苏泊尔股份有限公司以及比亚迪股份有限公司均是实力较强的传统工业企业，主要涉及传统铝工业，如车辆、厨房用品、铝带、铝箔等行业。通过对铝合金阳极氧化工艺做出改进，如改变电流形式、分步酸化、电解液配方等，提高铝合金制品的耐腐蚀、耐磨、硬度、使用寿命等性能，并以此为重点申请相关专利。综上所述，通过图2中的重要申请人排名可知，阳极氧化处理后的铝合金在工业领域具有较好的普适性。通过对阳极氧化工艺进行相应调整，即可适应某些行业对铝合金性能的特殊要求，进而使阳极氧化处理的铝合金被广泛应用于工业内各细分领域。1.3 阳极氧化铝合金性能大多数专利申请人都追求阳极氧化铝合金的耐腐蚀性、耐磨性、硬度和致密性。其中，耐腐蚀性和耐磨性是最重要的性能，这两项性能是阳极氧化铝合金所必须具备的基本性能。这是因为在航空航天工业领域，铝合金需要在恶劣环境下使用，例如直升飞机用冷却液铝合金管道需要抵御乙二醇等强腐蚀性液体的腐蚀，在电子工业中，由于电子产品常被高频次使用，例如手机、iPAD等，需要应对汗液腐蚀以及其他硬物的刮擦，在常规工业中，例如车辆、铝型幕墙等，则需要面对大气环境下的腐蚀以及沙尘的摩擦。上述工业领域都需要铝合金具备出色的耐腐蚀性和耐磨性，以延长铝合金的使用寿命。在满足上述性能后，部分申请人还基于其他性能需求，额外追求工艺的成本、环保以及工艺处理效率。同时，在电子工业领域，阳极氧化后的铝合金常被用作器件外壳，因此，该领域的申请人对铝合金外观有较高的要求。以下是部分专利申请的详细介绍，以了解它们的工艺及其性能侧重点。北京航空航天大学申请的CN101624718A专利公开了一种对航空2系、7系铝合金表面的无铬化阳极氧化处理方法。该方法通过添加更为环保且成本较低的己二酸或己二酸盐对传统硫酸阳极氧化工艺进行改性。在工艺实施过程中，降低了阳极氧化槽液对铝和铝合金的侵蚀性，提高了阳极氧化膜的成膜率、膜层致密性和均匀性。在较低的膜重范围内，该方法提高了膜层的抗腐蚀性能，并有效保护了铝及铝合金零件的疲劳寿命。该发明操作简单，不需要特殊仪器，在一定的工艺参数下，阳极氧化过程只需要5min 10min。相对于传统硫酸阳极氧化和铬酸阳极氧化工艺，处理效率提高了50%以上。广东欧珀移动通信公司申请的CN106191955A专利公开了一种铝合金阳极氧化工艺。该工艺包括以下步骤：将经过预处理的铝合金基材作为阳极放入含有阳极氧化电解液的氧化槽中，同时以铅板作为阴极，控制温度在-10至10之间。接通电源开始进行阳极氧化，控制电压从起始电压逐渐上升至终止电压。在氧化过程中，控制电压可以得到表面形成有阳极氧化膜的铝合金基材。该工艺获得的阳极氧化膜不仅能满足普通阳极氧化修饰作用，且氧化膜较普通阳极氧化工艺硬度更高，更耐刮伤、碰伤和擦伤，可提升客户体验价值。此外，本发明还提供了阳极氧化铝合金及由阳极氧化铝合金加工而成的终端外壳。南昌航空大学申请的CN106757264B专利公开了一种108科学技术Science and technology铝合金环保型宽温阳极氧化电解液及氧化方法。该方法包括以下两个步骤：电解液的配制：先将硫酸、有机酸、络合剂和表面活性剂与去离子水进行混合，再进行搅拌得到混合均匀的电解液。其中，硫酸的浓度为50g/l至150g/l，有机酸的浓度为80g/l至140g/l，络合剂的浓度为5g/l至10g/l，表面活性剂的浓度为0.1g/l至0.5g/l。铝合金阳极氧化：将经过预处理的铝合金浸入步骤所述的电解液中进行阳极氧化。在阳极氧化工序中，阳极电流密度为1A/dm2至2.5A/dm2，电压为15V至22V，温度为18至42，阳极氧化处理时间为25min至35min。通过本发明提供的电解液，可以在没有草酸的情况下，在较宽的温度范围内（18至42）获得致密光滑、结合力好的阳极氧化膜。比亚迪股份有限公司申请的CN109208055A专利公开了一种铝合金及其制备方法及手机壳体。该方法包括将铝合金放置在阳极氧化液中进行第一次阳极氧化，接着在相同的阳极氧化液中进行第二次阳极氧化。所述第一次阳极氧化的电压至少比第二次阳极氧化的电压高8V。用本发明的铝合金的表面处理方法，可以得到表面光滑，具有陶瓷质感的外观效果，铝合金的耐腐蚀性能好且可以在低温低压下进行，能耗少，利于大规模生产。浙江苏泊尔股份有限公司申请的CN103668388B专利公开了一种耐碱性封闭液和硬质阳极氧化膜的封闭方法，属于铝合金表面处理技术领域。该专利旨在解决现有硬质阳极氧化膜耐碱性腐蚀性能差的问题。该专利提供了一种耐碱性封闭液和硬质阳极氧化膜的封闭方法，其中耐碱性封闭液包括水玻璃、可溶性镁盐、可溶性钙盐和螯合剂等成分。该方法包括经过前处理的铝合金工件进行硬质阳极氧化处理，使在铝合金工件的表面形成硬质阳极氧化膜，然后将经过硬质阳极氧化处理的铝合金工件放入耐碱性封闭液中进行封闭处理，从而得到具有高耐腐蚀性能、清洗循环次数多和增加使用寿命效果的铝合金工件。辽宁忠旺集团有限公司申请的CN114892236A专利公开了一种铝合金交流阳极氧化工艺，属于铝合金表面处理技术领域。该专利旨在解决现有铝合金应用至铝带/箔/线时，在弯曲过程会导致氧化膜脆裂，使功能性大打折扣的技术问题。该专利提供了一种交流阳极氧化工艺，其中依次通过除油、碱蚀或抛光、交流氧化、封孔和烘干等步骤实现。具体地采用交流型整流机作为电源，并将碱蚀或抛光后的铝合金作为阳极板，将铝、铅或石墨板作为阴极板；将阳极板和阴极板置于电解液中，其中，电压、电流密度、电解液温度和氧化时间等参数都有所限制。通过该工艺处理后，铝合金工件表面形成的氧化膜具有较高的耐腐蚀性能和功能性。沈阳富创精密设备有限公司申请的CN109056023A专利公开了一种硫酸+草酸混酸阳极氧化工艺技术领域。该专利的目的是提供一种具有较高硬度和耐腐蚀性能的阳极氧化膜。该专利提供了一种硫酸+草酸混酸阳极氧化工艺，其中主要涉及到采用硫酸+草酸混合槽液进行阳极化、控制温度、电流密度、升流时间和反应时间等参数，以及采用纯水进行封孔和烘干等步骤。通过该工艺处理后，铝合金工件表面形成的氧化膜具有明显的硬质阳极外观特性和较高的耐腐蚀性能。汉 达 精 密 电 子（昆 山）有 限 公 司 所 申 请 的CN102691085B专利公开了一种铝合金外观件的制作方法。该方法主要包括以下步骤：冲压成型；脱脂；阳极氧化；染色；封孔。相较于现有技术，这种铝合金外观件的制作方法具有许多优点。首先，产品具备阳极色彩效果、金属高光质感以及渐层颜色变化的外观效果。其次，采用阳极氧化表面处理，产品表层不易脱落生锈，色泽始终如新。此外，该产品表面耐磨性高，手感温润滑爽。最后，这种方法为工业设计提供多样化的产品外观选择，满足更多消费需求。因此，这种铝合金外观件的制作方法可用于制作各种3C产品的外观件，特别是笔记本电脑、平板电脑、手机及数字音视频播放设备等。3 结语通过上述分析可以得知，由于其特殊的性能，铝合金被广泛应用于工业领域。阳极氧化工艺作为铝合金表面处理的基础工艺，不仅可以提高铝合金的耐腐蚀性、耐磨性以及硬度等基础性能，还可以赋予铝合金优异的观感、耐指纹等新性能。通过调整阳极氧化工艺以及电解液成分等方式，拓宽了铝合金的应用领域，延长了其使用寿命。尽管阳极氧化是一种基础工艺，但随着铝合金应用领域的不断拓展，需要不断地改进工艺，研发出更加环保、处理效率高的工艺，以提高阳极氧化膜的性能，从而使阳极氧化铝合金适应不同领域的特性需求。（作者单位：国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心）