微弧氧化技術簡介
輕合金表面改質新技術：微弧氧化技術簡介
微弧氧化（Micro-arc Oxidation； MAO）技術，又可稱為電漿電解氧化 (Plasma Electrolytic Oxidation) 及陽極火花沉積 (Anodic Spark Deposition)，目前較常應用在鋁、鎂、鈦合金上。微弧氧化技術於80年代開始研發，其出發點是來自於陽極處理的衍伸，當基材浸入電解液後，經由正極試片、負極電極的情況下，通電流以後在基材的表面會形成一層氧化膜絕緣層，有了這層氧化膜基層之後，再持續的通以電壓。當基材上的電壓值超過了臨界值以後，在絕緣膜上較脆弱的地方就會被擊穿，產生微弧放電現象。而當氧化膜的絕緣膜上較脆弱的地方被擊穿後，在擊穿的地方隨即又形成一層新的氧化膜，持續通以電壓的話，則微弧放電的擊穿點又會移至整體試件較脆弱的地方繼續擊穿。在擊穿的過程中，些許較為薄弱的區域被幾百伏特的電壓擊穿，會形成一個高溫高壓的電漿區，進而發生熔融現象，將電解液氣化後，在熔融狀態下的鋁合金即會跟電解液中的氧自由基結合，在表面產生硬度較高的α-Al2O3 及γ-Al2O3，使氧化物的結構產生變化。
微弧氧化製程
微弧氧化的基本應用原理是必須在金屬的介面產生連續的放電電漿反應，所利用的是交流電或者直流電，依照不同的成膜需求而使用不同的電壓方式。微弧氧化的製程在試件的表面可大致分成四個部份：
1. 在第一階段持續給予固定電流，在初期電壓會持續上升，在試件表面產生一鈍化膜，即試件本身的氧化膜。
2. 第二階段當試件表面都產生了一層鈍化膜後，試件表面的氧化膜會進入再鈍態，在原先的氧化膜上面在形成一個多孔層的氧化物膜。
3. 第三階段電壓值再度持續上升，氧化膜的氧化速率逐漸的提高，部分氧化膜的局部區域開始出現穿隧現象，伴隨著微小的火花放電。
4. 第四階段當電壓持續上升，表面的介電層電場強度達到崩潰邊緣，穿隧現象逐漸成為熱離子化現象，電解液中的分子或離子被高速的電子撞擊，而釋放出更多的電子後重複的撞擊，導致局部區域產生極高溫(可達幾千度C)，此時在表面也能發現有許多氣泡釋出。電弧的強度增加造成熱應力破壞，使覆膜產生熱應力裂縫而破壞。此時經過高溫熔融的金屬基材離子，經由孔隙裂縫溢出至電解液中與電解液反應，在金屬表面產生一層金屬氧化膜。
微弧氧化膜層結構及成分特性
微弧氧化膜層由下而上分別是基材、介面層、陶瓷氧化層、多孔層。微弧氧化所長出的層及結構共有三層（如圖1所示），分別如下：
1. 介面層：介於基材和陶瓷氧化層之間，厚度不超過1μm，以原子鍵結連結基材與陶瓷層。由於這層介面層的覆膜是來自於基材本身與電解液的結合，所以具有良好的可彎折性，在角落的部份也不易脫落，且平整度與均勻度均佳。
2. 陶瓷氧化層：位於介面層之上，又有功能層之稱，為細密的多孔層與微孔層堆積而成。試件最主要的硬度及耐磨耗、抗蝕等性能均由此層表現。由於在微弧氧化過程中，此層受到高溫燒結的影響，內層結構接近於高強度的陶瓷層結構，本身緻密。
3. 多孔層：為最外層，陶瓷氧化層的上層。因為受到熔融金屬的影響，所以表面許多孔隙均為熔融金屬噴溢出來的孔洞痕跡。最外層所表現出來的試件顏色與金屬本身和電解液組成的元件光譜特徵有關。
微弧氧化技術特點
由於微弧氧化技術必須在基材上面形成一個絕緣的介電層，而且這個介電層要能夠承受高電壓，這樣才能在其表面產生電漿反應，所以在材料的選擇上面以表面可以產生連續介電層的材料為主，如鋁、鎂、鈦合金。上述金屬經過MAO處理以後，表面會形成一多孔緻密陶瓷層。此陶瓷層的特點如下：
1. 與基材緊密貼合，因是燒熔基材而氧化產生之陶瓷層，故不容易脫落。
2. 成膜速率較快，且易於控制膜厚，調整時間及電壓等因素即可。一般硬陽處理1-2小時所生成的膜層厚度約為50μm，而微弧氧化生成50μm厚度的時間約為30-60分鐘。
3. 在操作方面較為簡便，有別於原先硬陽處理所需要將近十個水槽且使用後的電解液不易回收，微弧氧化的電鍍液為矽酸鹽系列，電鍍液裡頭未添加氰化物及其餘重金屬殘留，符合廢液回收標準，對於環境的危害較少，故可稱為綠色科技。
4. 有良好的熱阻隔性能。
5. 克服了鋁合金表面質軟的問題，提高了試件表面硬度值。鋁合金經微弧氧化處理後最高硬度可達1600HV。（註：鋼鐵硬度最高約為800HV）
6. 提高了試件表面耐磨性、抗腐蝕性及膜層韌性。
7. 膜厚分布均勻，在尺寸安定性部分表現良好。
8. 有非常良好的絕緣性能，絕緣電阻值可到達100MΩ。
由於具備了許多優於其它表面改質處理的特點， MAO微弧氧化技術成為現今表面處理技術的研究重心，也成為許多工業界指定全力研發的技術，在太空航空業、交通業等大放異彩。