一種基于鈦合金材質(zhì)和陽極氧化處理的照明設(shè)備

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摘 要：本文介紹了一種實(shí)用照明設(shè)備，其主要組成包括設(shè)備開關(guān)體、電源放置倉、設(shè)備外殼、照明區(qū)。設(shè)備主體選用TC4鈦合金材質(zhì)，開關(guān)體與后蓋結(jié)合并采用磁性不銹鋼材料，電源放置倉導(dǎo)熱材料采用石墨導(dǎo)熱膜，設(shè)備外殼表面進(jìn)行磨砂處理，照明區(qū)使用藍(lán)寶石鏡片，開關(guān)體采用硅膠墊進(jìn)行內(nèi)部密封，除照明區(qū)鏡片外無外露非金屬，設(shè)備外殼進(jìn)行鋁陽極氧化處理。該設(shè)備做到了材質(zhì)達(dá)到防摔效果，高級(jí)密封達(dá)到防水效果，陽極氧化處理達(dá)到防腐蝕效果，且電源可充電，續(xù)航能力強(qiáng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：鈦合金 陽極氧化 照明設(shè)備

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）07（c）-0059-02

1 設(shè)計(jì)背景

為了滿足夜間工作的需要，照明設(shè)備是我們?cè)谝归g工作和學(xué)習(xí)中必不可少的工具。根據(jù)不同人群的工作需要，照明設(shè)備的功能和材質(zhì)也各有側(cè)重。但是目前市面上針對(duì)戶外工作者工作要求的照明設(shè)備較少。地質(zhì)、建筑戶外工作者以及戶外運(yùn)動(dòng)愛好者工作和活動(dòng)環(huán)境相對(duì)惡劣，工作時(shí)長(zhǎng)較大，對(duì)照明設(shè)備的要求也就更高。需要所用的設(shè)備具有防摔、防水和較長(zhǎng)的續(xù)航能力。目前市面上的照明設(shè)備存在以下幾點(diǎn)不足：（1）續(xù)航能力差，設(shè)備工作時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)發(fā)燙，散熱能力差，壽命短。（2）設(shè)備外殼不堅(jiān)固，發(fā)生磕碰、高出墜落等意外情況時(shí)極易損壞，造成工作無法開展。（3）遇潮易生銹，常出現(xiàn)短路現(xiàn)象，遇水?dāng)嗦?，造成工作無法進(jìn)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(shè)備使用者在極端工作環(huán)境下無法給電源充電，不能保證工作需要的續(xù)航時(shí)間。該設(shè)備綜合考慮以上照明設(shè)備存在的缺點(diǎn)，在材料選擇、密封等級(jí)、續(xù)航能力等各方面進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)用化學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)所選材料進(jìn)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(xué)習(xí)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(huán)境下，對(duì)照明設(shè)備的要求更高。如戶外溫差大，夜間低溫條件易凍裂凍壞設(shè)備，設(shè)備經(jīng)常發(fā)生高空墜落等。市面上常用的塑料材質(zhì)顯然是不行的，而一般金屬材質(zhì)具有密度大、易生銹的缺點(diǎn)，故而需要選擇高強(qiáng)度低密度的金屬。TC4鈦合金的抗拉強(qiáng)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(yōu)點(diǎn)，在航空航天、石油化工、造船、汽車，醫(yī)藥等部門都得到成功的應(yīng)用。其各項(xiàng)性能均滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的照明設(shè)備的需求，故設(shè)備主體選用TC4鈦合金材質(zhì)。

為了解決長(zhǎng)時(shí)間工作后設(shè)備溫度急劇升高，性能下降的問題，我們選用了石墨導(dǎo)熱膜覆蓋于電源放置倉，石墨導(dǎo)熱膜獨(dú)特的晶粒取向使其可以達(dá)到雙向?qū)?，而且它低熱阻：熱阻僅為鋁的60%，重量?jī)H為鋁的75%。

2.2 陽極氧化原理介紹

為了提高設(shè)備外殼的硬度和耐腐蝕性，對(duì)其進(jìn)行了陽極氧化處理。該設(shè)備處理時(shí)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(zhuǎn)化為一層氧化膜，這層氧化膜具有保護(hù)性和一定的裝飾性并能增加設(shè)備的手感。

選用鋁或者鋁合金當(dāng)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(jìn)行電解，讓鋁和鉛板的表面形成一種氧化膜[1]。其反應(yīng)化學(xué)方程式為：

H2O=H++OH-

2Al3++3O2-=Al2O3

Al2O3+3H2SO4=Al2（SO4）2+3H2O[2]

3 設(shè)備規(guī)格與實(shí)施方式

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)與規(guī)格

該設(shè)備的各零部件的3D圖及規(guī)格如圖1、圖2所示。

3.2 實(shí)施方式

如圖1-E所示，將高強(qiáng)度橡膠密封圈放入設(shè)備外殼前端密封凹槽中，從其后部裝入藍(lán)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(tái)處，將光杯裝入外殼并壓緊藍(lán)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(nèi)，將驅(qū)動(dòng)板裝入電源放置倉前端的凹槽內(nèi)并將驅(qū)動(dòng)板負(fù)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(nèi)，連接好驅(qū)動(dòng)及燈珠的導(dǎo)線，將石墨導(dǎo)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(dǎo)熱膜的固定座及電源放置倉裝入外殼內(nèi)并旋緊，將金屬開關(guān)按鈕從前端放入開關(guān)體的圓孔內(nèi)，將硅膠圓墊蓋住按鈕并使用金屬壓環(huán)壓緊硅膠圓墊，放入開關(guān)電路板，用O型卡環(huán)將電路板固定在后蓋內(nèi)，將不銹鋼開關(guān)體旋入外殼。

4 成品測(cè)試及應(yīng)用前景

該設(shè)備（圖3-A）具有攜帶簡(jiǎn)便，防摔、防水、防腐蝕以及續(xù)航能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。而且該規(guī)格設(shè)備可與旋轉(zhuǎn)自行車手電筒夾結(jié)合用于安裝在自行車上，為夜晚進(jìn)行戶外工作以及騎行自行車需要照明的用戶提供方便。

經(jīng)測(cè)試，該設(shè)備成品在開啟狀態(tài)下從15m高空墜落無損傷，完全可以繼續(xù)工作；開啟狀態(tài)下，完全浸沒于水中可繼續(xù)工作，3h后取出并無任何液體進(jìn)入；安裝于自行車完全可以實(shí)現(xiàn)照明功能（圖3-B）。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉春.化學(xué)與生活[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 王明召，高盤良，王磊.化學(xué)反應(yīng)原理[M].山東科學(xué)技術(shù)出版社，2015.endprint