Elektrodamgalama ile Lokalize Banyosuz Metal-Kompozit Kaplama
Summary
Burada sunulan banyosuz elektrokaplama bir protokol, kompozit parçacıklar içeren durgun metal tuz macunu yüksek yükleme metal kompozitler oluşturmak için azalır nerede. Bu yöntem, metal matris içine kompozit parçacıkları gömme elektrokaplama (jet, fırça, banyo) diğer ortak formları karşılaştığı zorlukları giderir.
Abstract
Metal matris gömülü parçacıklar ile kompozit kaplama daha fazla veya daha az iletken, sert, dayanıklı, yağlanmış veya floresan yapmak için metal kaplama özelliklerini artırabilir. Ancak, metal kaplama daha zor olabilir, kompozit parçacıklar ya 1) katot için güçlü bir elektrostatik cazibe yok bu yüzden yüklü değil çünkü, 2) higroskopik ve hidrasyon kabuğu tarafından bloke edilir, ya da 3) karıştırma sırasında katot durgun kalmak için çok büyük. Burada, büyük higroskopik fosforlu parçacıklar ve hidrofilik membran içeren sulu konsantre elektrolit macunu sandviç anod ve katot nikel plakaları içeren bir banyosuz kaplama yönteminin ayrıntılarını açıklıyoruz. Bir potansiyel uygulandıktan sonra, nikel metal durgun fosfor parçacıkları etrafında birikir, filmde onları bindirme. Kompozit kaplamalar film pürüzlülüğü, kalınlığı ve kompozit yüzey yüklemesi için optik mikroskopi ile karakterizedir. Buna ek olarak, floresan spektroskopi çeşitli akım yoğunlukları, kaplama süresi ve fosfor yükleme etkilerini değerlendirmek için bu filmlerin aydınlatma parlaklığını ölçmek için kullanılabilir.
Introduction
Geleneksel elektrokaplama yaygın metaller, alaşımlar çeşitli ince filmler yatırmak için kullanılır, alaşımlar, ve metal kompozitler iletken yüzeyler üzerine amaçlanan uygulamaiçinişlevselleştirmek için 1 ,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Bu yöntem, havacılık, otomotiv, askeri, tıbbi ve elektronik ekipman üretiminde kullanılan parçalara metal kaplama ekler. Kaplanacak nesne, katot, kimyasal veya elektriksel bir potansiyel uygulaması ile nesnenin yüzeyinde metale indirgenmiş metal tuz öncüleri içeren sulu bir banyoya batırılır. Yüksüz kompozit parçacıklar metal oksitler ve karbürler durumunda artan sertlik, polimerler veya sıvı yağlar ile yağlama ile pürüzsüzlük için film özelliklerini artırmak için kaplama sırasında banyo bunları ekleyerek metal film içine dahil edilebilir12,13. Ancak, bu parçacıklar katot için doğal bir cazibe eksikliği çünkü, metal dahil kompozit oranı banyo kaplama için düşük kalır13,14,15. Bu, büyüyen metal film tarafından gömülü olacak kadar uzun katota adsorb olmayan büyük parçacıklar için özellikle sorunludur. Ayrıca, higroskopik parçacıklar sulu çözeltiler solvate ve hidrasyon kabuğu katot16ile temas engelleyen fiziksel bir bariyer olarak hareket eder.
Bazı umut verici yöntemler tamamen hidrasyon bariyeri kaldırmak için kuru non-polar çözücüler kullanarak bu etkiyi azaltmak için gösterilmiştir17, veya parçacık ve katot arasında temas sağlamak için hidrasyon kabuğu bozan yüklü yüzey aktif molekülleri16 ile kompozit parçacıklar süsleyerek. Ancak, bu yöntemler organik maddeler içerdiğinden, filmde karbon kontaminasyonu mümkündür ve bu organik maddelerin parçalanması elektrotlarda oluşabilir. Örneğin, kullanılan organik çözücüler (DMSO2 ve asetamid) havasız kaplama için hareketsiz bir atmosferde 130 °C’ye Kadar ısıtılır; ancak, biz havada kaplama sırasında kararsız bulundu. Elektrotlarda dirençli ısıtma nedeniyle, organik maddeler ile redoks reaksiyonları yabancı maddeler veya metal nano tanecikleri18büyüme heterojen çekirdekleşme ve siteler neden olabilir. Sonuç olarak, parçacık-katot adsorpsiyon uzun süredir sorun adresleri organik içermeyen sulu elektrokaplama yöntemi için bir ihtiyaç vardır. Şimdiye kadar, metal-kompozit banyo kaplama çapı19 birkaç mikrometre kadar parçacıkları gömmek için gösterilmiştir ve 15 gibi yüksek%16, 17.
Buna karşılık olarak, kompozit parçacıkları büyük boyutları ve higroskopik doğasına rağmen yüksek yüzey kapsama larında filme gömmeye zorlayan inorganik banyosuz elektrodamgalama yöntemini tanımlıyoruz20. Banyo kaldırılarak, süreç tehlikeli kaplama sıvıları kapları içermez ve kaplanacak nesnenin batırılması gerekmez. Bu nedenle, büyük, hantal veya başka bir şekilde korozyon veya suya duyarlı nesneler, kompozit malzeme ile belirli alanlarda kaplama veya “damgalı” olabilir. Buna ek olarak, fazla suyun kaldırılması sıvı tehlikeli atıkların daha az temizlenmesini gerektirir.
Burada, toksik olmayan ve hava-stabil europium ve disprosyum doped, stronsiyum alüminyum (87 ± 30 μm) yüksek yüklemelerde nikel (%80’e kadar) birlikte birikerek parlak floresan metal filmler üretmek için bu yöntemi gösteriyoruz. Bu bir banyo tabaklanmış ve bu nedenle küçük (birkaç mikrometre için nanometre) fosfor12sınırlı olan önceki örnekleraksine gelir. Buna ek olarak, daha önce bildirilen elektrotlu filmler kısa dalga UV-ışık altında sadece floresan, plazma elektrolit oksidasyonu21ile bir alüminyum filmde 1 – 5 μm parlak stronsiyum alüminyum kristalleri büyüdü yeni bir rapor dışında . Floresan metal filmler yol işareti aydınlatma21dahil dim-ışık ortamları içeren birçok sektörde geniş kapsamlı uygulamalar olabilir , uçak bakım ekipmanları konumu ve kimlik20, otomobil ve oyuncak süslemeleri, görünmez mesajlar, ürün kimlik doğrulaması22, güvenlik aydınlatma, mekanik stres tanımlama10 ve tribolojik aşınma görsel muayene12,16. Parlayan metal yüzeyler için bu potansiyel kullanımlara rağmen, bu yöntem daha önce elektrokaplama ile mümkün değildi metal kompozit fonksiyonel kaplamalar yeni bir çeşitlilik üretmek için ek büyük ve / veya higroskopik kompozit parçacıklar içerecek şekilde genişletilebilir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Elektrodamgalamanın kritik adımları. Bathless elektrostamping geleneksel banyo elektrokaplama ile aynı kritik adımları birçok hisse. Bunlar arasında elektrotların düzgün temizlenmesi, metal iyonlarının elektrolite karıştırılması ve kattot üzerine metalin azalmasına neden olacak harici veya kimyasal (elektrosuz kaplama) potansiyeli yer almaktadır. Buna ek olarak, anod ve katot oksidasyonu hızlı su ile durulama ve kurulum bu elektrotlar ekleyerek asit aktivasyonu sonra kaçınılmal?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Uçak Ekipmanları Güvenilirlik ve Bakım Geliştirme Programı ve Patuxent Ortaklığı tarafından desteklenmiştir. Townsend, ONR Fakültesi Araştırma Bursu ile desteklendi. Yazarlar ayrıca SMCM Kimya ve Biyokimya Bölümü öğretim üyeleri ve öğrencileringenel desteğini kabul, SMCM futbol takımının desteği de dahil olmak üzere.
Materials
| 37% M Hydrochloric Acid (aq) | SigmaAldrich | 320331-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| 70% Nitric Acid (aq) | SigmaAldrich | 438073-500ML | corrosive – handle in fume hood |
| Barium magnesium aluminate, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756512-25G | fine powder |
| Boric Acid (s) | SigmaAldrich | B6768-500G | toxic |
| Cotton Swab | Q-tips | Q-tips Cotton Swabs | |
| ImageJ | National Institutes of Health | IJ 1.46r | free software |
| Nickel (II) chloride hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 223387-500G | toxic |
| Nickel (II) sulfate hexahydrate (s) | SigmaAldrich | 227676-500G | toxic |
| Nickel foil (s) | AliExpress | Ni99.999 | |
| Nitrile gloves | Fisher Scientific | 19-149-863B | |
| nylon membrane (s) | Tisch Scientific | RS10133 | |
| Optical Microscope equipped with FTIC filter (470 ± 20 nm) | Nikon | Eclipse 80i | |
| Plastic Wrap | Fisher Scientific | 22-305654 | |
| Porcelain Mortar | Fisher Scientific | FB961A | |
| Porcelain Pestle | Fisher Scientific | FB961K | |
| Potassium Hydroxide (s) | SigmaAldrich | 221473-25G | corrosive |
| Potentiostat with platinum wire | Gamry Instruments | 1000E | |
| Scoopula | Fisher Scientific | 14-357Q | |
| Spectrofluorometer | Photon Technology International | QM-40 | |
| Strontium aluminate, europium and dysprosium doped (s) | GloNation | 756539-25G | powder |
| Variable linear DC power supply | Tekpower | TP3005T | |
| Yttrium oxide, europium doped (s) | SigmaAldrich | 756490-25G | fine powder |
References
- Hunt, W. H., et al. . Comprehensive Composite Materials. , (2000).
- Hovestad, A., Janssen, L. J. J. Electrochemical codeposition of inert particles in a metallic matrix. Journal of Applied Electrochemistry. 25 (6), 519-527 (1995).
- Zimmerman, A. F., Clark, D. G., Aust, K. T., Erb, U. Pulse electrodeposition of Ni-SiC nanocomposite. Materials Letters. 52 (1), 85-90 (2002).
- Devaneyan, S. P., Senthilvelan, T. Electro Co-deposition and Characterization of SiC in Nickel Metal Matrix Composite Coatings on Aluminium 7075. Procedia Engineering. 97, 1496-1505 (2014).
- Lekka, M., Kouloumbi, N., Gajo, M., Bonora, P. L. Corrosion and wear resistant electrodeposited composite coatings. Electrochimica Acta. 50 (23), 4551-4556 (2005).
- Balaraju, J. N., Sankara Narayanan, T. S. N., Seshadri, S. K. Electroless Ni-P composite coatings. Journal of Applied Electrochemistry. 33 (9), 807-816 (2003).
- Jugović, B., Stevanović, J., Maksimović, M. Electrochemically deposited Ni + WC composite coatings obtained under constant and pulsating current regimes. Journal of Applied Electrochemistry. 34 (2), 175-179 (2004).
- Hilla, F., et al. Fabrication of self-lubricating cobalt coatings on metal surfaces. Nanotechnology. 18 (11), 115703 (2007).
- Abi-Akar, H., Riley, C., Maybee, G. Electrocodeposition of Nickel-Diamond and Cobalt-Chromium Carbide in Low Gravity. Chemistry of Materials. 8 (11), 2601-2610 (1996).
- Zhang, X., Chi, Z., Zhang, Y., Liu, S., Xu, J. Recent Advances in Mechanochromic Luminescent Metal Complexes. Journal of Materials Chemistry C. 1, 3376-3390 (2013).
- Lancsek, T., Feldstein, M. Composite electroless plating. US Patent. , (2006).
- Walsh, F. C., Ponce de Leon, C. A review of the electrodeposition of metal matrix composite coatings by inclusion of particles in a metal layer: an established and diversifying technology. Transactions of the Institute of Materials Finishing. 92 (2), 83-98 (2014).
- Roos, J. R., Celis, J. P., Fransaer, J., Buelens, C. The development of composite plating for advanced materials. Journal of The Minerals, Metals and Materials Society. 42 (11), 60-63 (1990).
- Guglielmi, N. Kinetics of the Deposition of Inert Particles from Electrolytic Baths. Journal of The Electrochemical Society. 119 (8), 1009-1012 (1971).
- Celis, J. P., R, J. R., Buelens, C. A Mathematical Model for the Electrolytic Codeposition of Particles with a Metallic Matrix. Journal of The Electrochemical Society. 134 (6), 1402-1408 (1987).
- He, Y., et al. The monitoring of coating health by in situ luminescent layers. RSC Advances. 5 (53), 42965-42970 (2015).
- Ganapathi, M., et al. Electrodeposition of luminescent composite metal coatings containing rare-earth phosphor particles. Journal of Materials Chemistry. 22 (12), 5514-5522 (2012).
- Monnens, W., Deferm, C., Sniekers, J., Fransaer, J., Binnemans, K. Electrodeposition of indium from non-aqueous electrolytes. Chemical Communications. 55 (33), 4789-4792 (2019).
- Low, C. T. J., Wills, R. G. A., Walsh, F. C. Electrodeposition of composite coatings containing nanoparticles in a metal deposit. Surface and Coatings Technology. 201 (1), 371-383 (2006).
- Gerwitz, C. N., David, H. M., Yan, Y., Shaw, J. P., Townsend, T. K. Bathless Inorganic Composite Nickel Plating: Dry-Cell Stamping of Large Hygroscopic Phosphor Crystals. Advanced Materials Interfaces. 7 (4), (2020).
- Bite, I., et al. Novel method of phosphorescent strontium aluminate coating preparation on aluminum. Materials and Design. 160 (15), 794-802 (2018).
- Feldstein, M. D. Coatings with identification and authentication properties. US Patent. , (2012).
- Rose, I., Whittingham, C. . Nickel Plating Handbook. , (2014).
- Anderson, D. M., et al. . Electroplating Engineering Handbook. , (1996).
- Helle, K., Walsh, F. Electrodeposition of Composite Layers Consisting of Inert Inclusions in a Metal Matrix. Transactions of the Institute of Metal Finishing. 75 (2), 53-58 (1997).
- Kerr, C., Barker, D., Walsh, F., Archer, J. The Electrodeposition of Composite Coatings based on Metal Matrix-Included Particle Deposits. Transactions of the Institute of Metal Finishing. 78 (5), 171-178 (2000).
- Walsh, F. C., Wang, S., Zhou, N. The electrodeposition of composite coatings: Diversity, applications and challenges. Current Opinion in Electrochemistry. 20, 8-19 (2020).
- Feldstein, N. Functional coatings comprising light emitting particles. US Patent. , (1996).
- Feldstein, N. Composite plated articles having light-emitting properties. US Patent. , (1998).
- Zimmerman, E. M. Method of Jet Plating. US Patent. , (1957).
- Schwartz, B. J. Method of Electroplating. United States Patent. , (1961).
