المترجمة بلا حمام المعادن المركبة الطلاء عن طريق االكهربة
Summary
هنا هو بروتوكول من الطلاء الكهربائي بلا حمام، حيث يتم تقليل معجون الملح المعدنية الراكدة التي تحتوي على جزيئات مركبة لتشكيل مركبات معدنية في تحميل عال. هذه الطريقة تعالج التحديات التي تواجهها أشكال أخرى شائعة من الطلاء الكهربائي (طائرة، فرشاة، حمام) من جزيئات المركبة تضمين في المصفوفة المعدنية.
Abstract
يمكن أن الطلاء المركب مع جزيئات جزءا لا يتجزأ من مصفوفة معدنية تعزيز خصائص طلاء المعادن لجعله أكثر أو أقل موصل، من الصعب، دائم، مشحم أو الفلورسنت. ومع ذلك، يمكن أن يكون أكثر تحديا من الطلاء المعدني، لأن الجسيمات المركبة هي إما 1) غير مشحونة بحيث لا يكون لديهم جاذبية قوية كهرباء إلى الكاثود، 2) هي الهيغرسكوبي وممصدة من قبل قذيفة الترطيب، أو 3) كبيرة جداً لتبقى راكدة في الكاثود أثناء التحريك. هنا، نحن وصف تفاصيل طريقة الطلاء بلا حمام التي تنطوي على صحون النيكل القطب والكاثود شطيرة معجون المنحل بالكهرباء المائية المركزة التي تحتوي على جزيئات الفوسفور المتحللة كبيرة وغشاء هيدروفيلي. بعد تطبيق المحتملة، يتم إيداع معدن النيكل حول جزيئات الفوسفور الراكدة، محاصرة لهم في الفيلم. تتميز الطلاءات المركبة بالمجهر البصري لخشونة الفيلم وسمكه وتحميل سطح مركب. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام التحليل الطيفي الفلوري لتحديد سطوع الإضاءة لهذه الأفلام لتقييم آثار مختلف الكثافات الحالية، ومدة الطلاء وتحميل الفوسفور.
Introduction
يستخدم على نطاق واسع الكهربائي التقليدية لإيداع الأفلام رقيقة من مجموعة متنوعة من المعادن والسبائك، و المركبات المعدنية على الأسطح موصلة لوظيفتها للتطبيق المقصود1،2،3،4،5،6،7،8،9،10،11،12. هذه الطريقة يضيف الانتهاء من المعدن إلى أجزاء المستخدمة في صناعة الفضاء والسيارات والعسكرية والطبية ، والمعدات الإلكترونية. الجسم الذي سيتم مطلية، الكاثود، مغمورة في حمام مائي يحتوي على سلائف الملح المعدنية، والتي يتم تقليلها إلى المعادن على سطح الجسم عن طريق تطبيق المحتملة الكيميائية أو الكهربائية. ويمكن دمج الجسيمات المركبة غير المشحونة في الفيلم المعدني عن طريق إضافة هذه إلى الحمام أثناء الطلاء لتعزيز خصائص الفيلم لزيادة صلابة في حالة أكاسيد المعادن والكربيدات، نعومة مع البوليمرات أو التشحيم مع الزيوت السائلة12،13. ومع ذلك، لأن هذه الجسيمات تفتقر إلى جاذبية متأصلة في الكاثود، فإن نسبة المركبة التي يتم دمجها في المعدن لا تزال منخفضة لطلاء الحمام13،14،15. وهذا هو إشكالية خاصة بالنسبة للجسيمات الكبيرة التي لا adsorb إلى الكاثود لفترة كافية لتكون جزءا لا يتجزأ من الفيلم المعدنية المتنامية. بالإضافة إلى ذلك، تحل الجسيمات المسكوبية في محلول مائي وتعمل قشرة الماء الخاصة بها كحاجز مادي يعوق الاتصال مع الكاثود16.
وقد تبين بعض الأساليب الواعدة لتخفيف هذا التأثير باستخدام المذيبات الجافة غير القطبية لإزالة حاجز الترطيب تماما17، أو عن طريق تزيين الجسيمات المركبة مع الجزيئات المحملة على السطح16 التي تعطل قذيفة الترطيب للسماح الاتصال بين الجسيمات والمهبط. ومع ذلك، لأن هذه الأساليب تنطوي على مواد عضوية، تلوث الكربون ممكن في الفيلم وانهيار هذه المواد العضوية يمكن أن يحدث في الأقطاب الكهربائية. على سبيل المثال، يتم تسخين المذيبات العضوية المستخدمة (DMSO2 والأسيتاميد) إلى 130 درجة مئوية في جو خامل للطلاء الخالي من الهواء؛ ومع ذلك، وجدنا لهم أن تكون غير مستقرة أثناء الطلاء في الهواء. بسبب التسخين المقاوم في الأقطاب الكهربائية، قد تؤدي تفاعلات الأكسدة الحمراء مع المواد العضوية إلى وجود شوائب أو مواقع للنيوية غير المتجانسة ونمو الجسيمات النانوية المعدنية18. ونتيجة لذلك، هناك حاجة إلى طريقة طلاء مائي خال من العضوية التي تعالج التحدي طويل الأمد من الامتزاز الجسيمات الكاثود. حتى الآن، وقد ثبت طلاء حمام مركب المعادن لتضمين الجسيمات تصل إلى بضعة ميكرومترات في قطر19 وارتفاع 15 ٪ تحميل16،17.
ردا على هذا، ونحن وصف طريقة غير العضوية الختم الكهربائي غير العضوية التي تجبر الجسيمات المركبة لتصبح جزءا لا يتجزأ من الفيلم في تغطية سطح عالية على الرغم من حجمها الكبير وطبيعة hygroscopic20. عن طريق إزالة الحمام، لا تنطوي العملية على حاويات من سوائل طلاء الخطرة وكائن أن تكون مطلية لا تحتاج إلى أن تكون مغمورة. ولذلك، يمكن مطلية أو “مختومة” كبيرة أو مرهقة أو خلاف ذلك المواد الحساسة للتآكل أو المياه، في مناطق محددة مع المواد المركبة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن إزالة المياه الزائدة تتطلب قدراً أقل من تنظيف النفايات الخطرة السائلة.
هنا، ونحن نبرهن على هذه الطريقة لإنتاج مشرق أفلام معدنية فلورية من خلال المشاركة في إيداع غير سامة والهواء مستقرة يوروبيوم وdesprosium ابر، الألمنيوم السترونتيوم (87 ± 30 ميكرومتر) مع النيكل في حمولة عالية (تصل إلى 80٪). ويأتي ذلك على النقيض من الأمثلة السابقة التي كانت مطلية في الحمام وبالتالي اقتصرت على الصغيرة (نانومتر إلى بضعة ميكرومتر) الفوسفور12. وبالإضافة إلى ذلك، ذكرت سابقا أقطاب أفلام الفلوريس الفلوريس فقط تحت الموجة القصيرة الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة، باستثناء تقرير حديث التي نمت 1 – 5 μm بلورات السترونتيوم السترونتيوم الإنارة في فيلم الألومينا مع البلازما المنحل بالكهرباءأكسدة 21. يمكن أن يكون للأفلام المعدنية الفلورسنت تطبيقات بعيدة المدى في العديد من الصناعات التي تنطوي على بيئات الضوء الخافت بما في ذلك إضاءة علامة الطريق21، موقع معدات صيانة الطائرات وتحديد20، السيارات وزخارف اللعب ، رسائل غير مرئية ، مصادقة المنتج22، إضاءة السلامة ، تحديد الإجهاد الميكانيكي10 والترينسي التفتيش البصري12،16. على الرغم من هذه الاستخدامات المحتملة للأسطح المعدنية المتوهجة، يمكن أيضا توسيع هذه الطريقة لتشمل الجسيمات المركبة الكبيرة و / أو الهيغركوبية إضافية لإنتاج مجموعة جديدة من الطلاءات الوظيفية المركبة المعدنية التي لم تكن ممكنة من قبل عن طريق الطلاء الكهربائي.
Protocol
Representative Results
Discussion
خطوات حاسمة في الختم الكهربائي. يشارك الختم الكهربائي بدون حمام العديد من نفس الخطوات الحرجة مع الطلاء الكهربائي التقليدي للحمام. وتشمل هذه التنظيف السليم للأقطاب الكهربائية، خلط أيونات المعادن في المنحل بالكهرباء وتطبيق والخارجي أو الكيميائية (الطلاء الكهربائي) المحتملة للتس…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل من قبل برنامج تحسين موثوقية معدات الطائرات وصيانتها وشراكة باتوكسينت. وقد تم دعم تاونسند من قبل زمالة أبحاث كلية ONR. كما يعترف المؤلفون بالدعم العام من أعضاء هيئة التدريس في قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية SMCM والطلاب ، بما في ذلك الدعم من فريق كرة القدم SMCM.
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 |
Riferimenti
- 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).
