一種基于鈦合金材質和陽極氧化處理的照明設備

常俊宇

摘 要：本文介紹了一種實用照明設備，其主要組成包括設備開關體、電源放置倉、設備外殼、照明區。設備主體選用TC4鈦合金材質，開關體與后蓋結合并采用磁性不銹鋼材料，電源放置倉導熱材料采用石墨導熱膜，設備外殼表面進行磨砂處理，照明區使用藍寶石鏡片，開關體采用硅膠墊進行內部密封，除照明區鏡片外無外露非金屬，設備外殼進行鋁陽極氧化處理。該設備做到了材質達到防摔效果，高級密封達到防水效果，陽極氧化處理達到防腐蝕效果，且電源可充電，續航能力強，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：鈦合金 陽極氧化 照明設備

中圖分類號：TG174 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）07（c）-0059-02

1 設計背景

為了滿足夜間工作的需要，照明設備是我們在夜間工作和學習中必不可少的工具。根據不同人群的工作需要，照明設備的功能和材質也各有側重。但是目前市面上針對戶外工作者工作要求的照明設備較少。地質、建筑戶外工作者以及戶外運動愛好者工作和活動環境相對惡劣，工作時長較大，對照明設備的要求也就更高。需要所用的設備具有防摔、防水和較長的續航能力。目前市面上的照明設備存在以下幾點不足：（1）續航能力差，設備工作時間較長時發燙，散熱能力差，壽命短。（2）設備外殼不堅固，發生磕碰、高出墜落等意外情況時極易損壞，造成工作無法開展。（3）遇潮易生銹，常出現短路現象，遇水斷路，造成工作無法進行。（4）功率較小，亮度不夠，無法滿足一些清晰度要求較高的工作。（5）照明設備使用者在極端工作環境下無法給電源充電，不能保證工作需要的續航時間。該設備綜合考慮以上照明設備存在的缺點，在材料選擇、密封等級、續航能力等各方面進行改進，運用化學基礎知識，對所選材料進行陽極氧化處理，可有效避免上述的各種不足，盡可能地滿足特殊需求者的工作和學習需要。

2 材料選擇與陽極氧化原理

2.1 材料選擇

在惡劣工作環境下，對照明設備的要求更高。如戶外溫差大，夜間低溫條件易凍裂凍壞設備，設備經常發生高空墜落等。市面上常用的塑料材質顯然是不行的，而一般金屬材質具有密度大、易生銹的缺點，故而需要選擇高強度低密度的金屬。TC4鈦合金的抗拉強度大（σb/MPa≥895），工作溫度范圍廣（-100℃～500℃），密度低（4.5g/cm3），且其具有很好的耐蝕性以及較好的韌性和焊接性等一系列優點，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫藥等部門都得到成功的應用。其各項性能均滿足我們設計的照明設備的需求，故設備主體選用TC4鈦合金材質。

為了解決長時間工作后設備溫度急劇升高，性能下降的問題，我們選用了石墨導熱膜覆蓋于電源放置倉，石墨導熱膜獨特的晶粒取向使其可以達到雙向導熱，而且它低熱阻：熱阻僅為鋁的60%，重量僅為鋁的75%。

2.2 陽極氧化原理介紹

為了提高設備外殼的硬度和耐腐蝕性，對其進行了陽極氧化處理。該設備處理時選用的是鋁的陽極氧化。所謂鋁的陽極氧化是一種電解氧化過程，在該過程中，鋁和鋁合金的表面通常轉化為一層氧化膜，這層氧化膜具有保護性和一定的裝飾性并能增加設備的手感。

選用鋁或者鋁合金當作陽極，陰極則選取鉛板，把鋁和鉛板一起放在水溶液中，用硫酸進行電解，讓鋁和鉛板的表面形成一種氧化膜[1]。其反應化學方程式為：

H2O=H++OH-

2Al3++3O2-=Al2O3

Al2O3+3H2SO4=Al2（SO4）2+3H2O[2]

3 設備規格與實施方式

3.1 設備結構與規格

該設備的各零部件的3D圖及規格如圖1、圖2所示。

3.2 實施方式

如圖1-E所示，將高強度橡膠密封圈放入設備外殼前端密封凹槽中，從其后部裝入藍寶石鏡片并使用專用金屬壓錘將橡膠密封圈壓緊在外殼的凹槽及凹槽前的凸臺處，將光杯裝入外殼并壓緊藍寶石鏡片，將焊有LED燈珠的基板下涂抹散熱硅脂后放入固定座前端的凹槽內，將驅動板裝入電源放置倉前端的凹槽內并將驅動板負極連接電源放置倉，將裝有燈珠的固定座的尾端裝入電池倉前端的凹槽內，連接好驅動及燈珠的導線，將石墨導熱膜包裹在固定座及電源放置倉的外表面，將包裹有石墨導熱膜的固定座及電源放置倉裝入外殼內并旋緊，將金屬開關按鈕從前端放入開關體的圓孔內，將硅膠圓墊蓋住按鈕并使用金屬壓環壓緊硅膠圓墊，放入開關電路板，用O型卡環將電路板固定在后蓋內，將不銹鋼開關體旋入外殼。

4 成品測試及應用前景

該設備（圖3-A）具有攜帶簡便，防摔、防水、防腐蝕以及續航能力強的優點。而且該規格設備可與旋轉自行車手電筒夾結合用于安裝在自行車上，為夜晚進行戶外工作以及騎行自行車需要照明的用戶提供方便。

經測試，該設備成品在開啟狀態下從15m高空墜落無損傷，完全可以繼續工作；開啟狀態下，完全浸沒于水中可繼續工作，3h后取出并無任何液體進入；安裝于自行車完全可以實現照明功能（圖3-B）。

參考文獻

[1] 何曉春.化學與生活[M].化學工業出版社，2008.

[2] 王明召，高盤良，王磊.化學反應原理[M].山東科學技術出版社，2015.endprint