Revestimento metálico-composto sem banho localizado via Eletrostamping

A eletroplaca tradicional é amplamente utilizada para depositar filmes finos de uma variedade de metais, ligas e compósitos metálicos em superfícies condutoras para funcionalizá-los para a aplicação pretendida^{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}. Este método adiciona um acabamento metálico às peças utilizadas na fabricação de equipamentos aeroespaciais, automotivos, militares, médicos e eletrônicos. O objeto a ser banhado, o cátodo, está submerso em um banho aquoso contendo precursores de sal metálico, que são reduzidos a metal na superfície do objeto pela aplicação de um potencial químico ou elétrico. Partículas compostas não carregadas podem ser incorporadas à película metálica adicionando-as ao banho durante o revestimento para melhorar as propriedades do filme para maior dureza no caso de óxidos metálicos e carbonetos, suavidade com polímeros ou lubrificação com óleos líquidos^12,13. No entanto, como essas partículas não têm uma atração inerente ao cátodo, a proporção de composto que é incorporado ao metal permanece baixa para o revestimento do banho^13,14,15. Isso é especialmente problemático para grandes partículas que não adsorb para o cátodo tempo suficiente para ser incorporado pelo filme de metal em crescimento. Além disso, as partículas higroscópicas solvate em soluções aquosas e sua concha de hidratação atua como uma barreira física impedindo o contato com o cátodo¹⁶.

Alguns métodos promissores têm sido mostrados para mitigar esse efeito usando solventes não polares secos para remover a barreira de hidratação completamente¹⁷, ou decorando as partículas compostas com moléculas de surfactante^{carregadas 16} que interrompem a concha de hidratação para permitir o contato entre a partícula e o cátodo. No entanto, como esses métodos envolvem materiais orgânicos, a contaminação de carbono é possível no filme e a quebra desses materiais orgânicos pode ocorrer nos eletrodos. Por exemplo, os solventes orgânicos utilizados (DMSO₂ e acetamida) são aquecidos a 130 °C em uma atmosfera inerte para revestimento sem ar; no entanto, descobrimos que eles são instáveis durante o revestimento no ar. Devido ao aquecimento resistivo nos eletrodos, reações redox com materiais orgânicos podem resultar em impurezas ou locais para nucleação heterogênea e crescimento de nanopartículas metálicas¹⁸. Como resultado, há a necessidade de um método de eletroplaca aquosa sem orgânicos que atenda ao desafio de longa data da adsorção de partículas-cátodo. Até agora, o revestimento de banho composto metálico foi mostrado para incorporar partículas até alguns micrômetros de diâmetro¹⁹ e até 15 % de carregamento^16,17.

Em resposta a isso, descrevemos um método de eletrostamping inorgânico sem banho que força partículas compostas a serem incorporadas ao filme em altas coberturas superficiais, apesar de seu grande tamanho e natureza higroscópica²⁰. Ao remover o banho, o processo não envolve recipientes de líquidos de revestimento perigosos e o objeto a ser banhado não precisa ser submerso. Portanto, objetos grandes, incômodos ou sensíveis à água podem ser banhados ou “estampados” em áreas selecionadas com o material composto. Além disso, a remoção do excesso de água requer menos limpeza de resíduos perigosos líquidos.

Aqui, demonstramos este método para produzir filmes de metal fluorescente brilhante co-depositando europium não tóxico e estável a ar e dispônsio dopado, aluminato de estrôncio (87 ± 30 μm) com níquel em cargas altas (até 80%). Isso contrasta com exemplos anteriores que foram banhados em um banho e, portanto, foram limitados a pequenos (nanômetros a alguns micrômetros) fosforros¹². Além disso, filmes eletrodepositados anteriormente relatados fluorescem apenas sob luz UV de ondas curtas, com exceção de um relatório recente que cresceu 1 – 5 μm de luminócio aluminato em um filme de alumina com oxidação de eletrólitos de plasma²¹. Filmes de metal fluorescente podem ter aplicações de longo alcance em muitas indústrias envolvendo ambientes de pouca luz, incluindo iluminação de placa de estrada^21,localização de equipamentos de manutenção de aeronaves e identificação^20,decorações de automóveis e brinquedos, mensagens invisíveis, autenticação do produto^22,iluminação de segurança, identificação de estresse mecanocromômico¹⁰ e inspeção visual de desgaste tribológico^12,16. Apesar desses usos potenciais para superfícies metálicas brilhantes, este método também poderia ser expandido para incluir partículas compostas grandes e/ou higroscópicas adicionais para produzir uma nova variedade de revestimentos funcionais metal-compostos que anteriormente não eram possíveis via eletroplaca.