一种基于钛合金材质和阳极氧化处理的照明设备

常俊宇

摘 要：本文介绍了一种实用照明设备，其主要组成包括设备开关体、电源放置仓、设备外壳、照明区。設备主体选用TC4钛合金材质，开关体与后盖结合并采用磁性不锈钢材料，电源放置仓导热材料采用石墨导热膜，设备外壳表面进行磨砂处理，照明区使用蓝宝石镜片，开关体采用硅胶垫进行内部密封，除照明区镜片外无外露非金属，设备外壳进行铝阳极氧化处理。该设备做到了材质达到防摔效果，高级密封达到防水效果，阳极氧化处理达到防腐蚀效果，且电源可充电，续航能力强，具有广阔的应用前景。

关键词：钛合金 阳极氧化 照明设备

中图分类号：TG174 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）07（c）-0059-02

1 设计背景

为了满足夜间工作的需要，照明设备是我们在夜间工作和学习中必不可少的工具。根据不同人群的工作需要，照明设备的功能和材质也各有侧重。但是目前市面上针对户外工作者工作要求的照明设备较少。地质、建筑户外工作者以及户外运动爱好者工作和活动环境相对恶劣，工作时长较大，对照明设备的要求也就更高。需要所用的设备具有防摔、防水和较长的续航能力。目前市面上的照明设备存在以下几点不足：（1）续航能力差，设备工作时间较长时发烫，散热能力差，寿命短。（2）设备外壳不坚固，发生磕碰、高出坠落等意外情况时极易损坏，造成工作无法开展。（3）遇潮易生锈，常出现短路现象，遇水断路，造成工作无法进行。（4）功率较小，亮度不够，无法满足一些清晰度要求较高的工作。（5）照明设备使用者在极端工作环境下无法给电源充电，不能保证工作需要的续航时间。该设备综合考虑以上照明设备存在的缺点，在材料选择、密封等级、续航能力等各方面进行改进，运用化学基础知识，对所选材料进行阳极氧化处理，可有效避免上述的各种不足，尽可能地满足特殊需求者的工作和学习需要。

2 材料选择与阳极氧化原理

2.1 材料选择

在恶劣工作环境下，对照明设备的要求更高。如户外温差大，夜间低温条件易冻裂冻坏设备，设备经常发生高空坠落等。市面上常用的塑料材质显然是不行的，而一般金属材质具有密度大、易生锈的缺点，故而需要选择高强度低密度的金属。TC4钛合金的抗拉强度大（σb/MPa≥895），工作温度范围广（-100℃～500℃），密度低（4.5g/cm3），且其具有很好的耐蚀性以及较好的韧性和焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车，医药等部门都得到成功的应用。其各项性能均满足我们设计的照明设备的需求，故设备主体选用TC4钛合金材质。

为了解决长时间工作后设备温度急剧升高，性能下降的问题，我们选用了石墨导热膜覆盖于电源放置仓，石墨导热膜独特的晶粒取向使其可以达到双向导热，而且它低热阻：热阻仅为铝的60%，重量仅为铝的75%。

2.2 阳极氧化原理介绍

为了提高设备外壳的硬度和耐腐蚀性，对其进行了阳极氧化处理。该设备处理时选用的是铝的阳极氧化。所谓铝的阳极氧化是一种电解氧化过程，在该过程中，铝和铝合金的表面通常转化为一层氧化膜，这层氧化膜具有保护性和一定的装饰性并能增加设备的手感。

选用铝或者铝合金当作阳极，阴极则选取铅板，把铝和铅板一起放在水溶液中，用硫酸进行电解，让铝和铅板的表面形成一种氧化膜[1]。其反应化学方程式为：

H2O=H++OH-

2Al3++3O2-=Al2O3

Al2O3+3H2SO4=Al2（SO4）2+3H2O[2]

3 设备规格与实施方式

3.1 设备结构与规格

该设备的各零部件的3D图及规格如图1、图2所示。

3.2 实施方式

如图1-E所示，将高强度橡胶密封圈放入设备外壳前端密封凹槽中，从其后部装入蓝宝石镜片并使用专用金属压锤将橡胶密封圈压紧在外壳的凹槽及凹槽前的凸台处，将光杯装入外壳并压紧蓝宝石镜片，将焊有LED灯珠的基板下涂抹散热硅脂后放入固定座前端的凹槽内，将驱动板装入电源放置仓前端的凹槽内并将驱动板负极连接电源放置仓，将装有灯珠的固定座的尾端装入电池仓前端的凹槽内，连接好驱动及灯珠的导线，将石墨导热膜包裹在固定座及电源放置仓的外表面，将包裹有石墨导热膜的固定座及电源放置仓装入外壳内并旋紧，将金属开关按钮从前端放入开关体的圆孔内，将硅胶圆垫盖住按钮并使用金属压环压紧硅胶圆垫，放入开关电路板，用O型卡环将电路板固定在后盖内，将不锈钢开关体旋入外壳。

4 成品测试及应用前景

该设备（图3-A）具有携带简便，防摔、防水、防腐蚀以及续航能力强的优点。而且该规格设备可与旋转自行车手电筒夹结合用于安装在自行车上，为夜晚进行户外工作以及骑行自行车需要照明的用户提供方便。

经测试，该设备成品在开启状态下从15m高空坠落无损伤，完全可以继续工作；开启状态下，完全浸没于水中可继续工作，3h后取出并无任何液体进入；安装于自行车完全可以实现照明功能（图3-B）。

参考文献

[1] 何晓春.化学与生活[M].化学工业出版社，2008.

[2] 王明召，高盘良，王磊.化学反应原理[M].山东科学技术出版社，2015.endprint