Placcatura in metallo composito senza bagno localizzata tramite elettrostamping
Summary
Presentato qui è un protocollo di galvanica senza bagno, in cui una pasta di sale metallica stagnante contenente particelle composite viene ridotta per formare compositi metallici ad alto carico. Questo metodo affronta le sfide affrontate da altre forme comuni di galvanica (getto, pennello, bagno) di incorporare particelle composite nella matrice metallica.
Abstract
La placcatura composita con particelle incorporate nella matrice metallica può migliorare le proprietà del rivestimento metallico per renderlo più o meno conduttivo, duro, resistente, lubrificato o fluorescente. Tuttavia, può essere più impegnativo della placcatura metallica, perché le particelle composite sono 1) non cariche in modo da non avere una forte attrazione elettrostatica per il catodo, 2) sono igroscopiche e sono bloccate da un guscio di idratazione, o 3) troppo grandi per rimanere stagnate al catodo durante l’agitazione. Qui descriviamo i dettagli di un metodo di placcatura senza bagno che coinvolge piastre di nichel anodo e catodo che incastro una pasta elettrolitica concentrata acquosa contenente grandi particelle igroscopiche fosforescenti e una membrana idrofila. Dopo aver applicato un potenziale, il nichel metallico viene depositato intorno alle particelle di fosforo stagnanti, intrappolandole nel film. I rivestimenti compositi sono caratterizzati da microscopia ottica per rugosità del film, spessore e carico superficiale composito. Inoltre, la spettroscopia a fluorescenza può essere utilizzata per quantificare la luminosità di illuminazione di queste pellicole per valutare gli effetti di varie densità di corrente, durata del rivestimento e carico di fosforo.
Introduction
La galvanica tradizionale è ampiamente utilizzata per depositare pellicole sottili di una varietà di metalli, leghe e compositi metallici su superfici conduttive per funzionalizzarle perl’applicazione prevista 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Questo metodo aggiunge una finitura metallica alle parti utilizzate nella produzione di apparecchiature aerospaziali, automobilistiche, militari, mediche ed elettroniche. L’oggetto da placcare, il catodo, è immerso in un bagno acquoso contenente precursori del sale metallico, che vengono ridotti in metallo sulla superficie dell’oggetto mediante l’applicazione di un potenziale chimico o elettrico. Le particelle composite non cariche possono essere incorporate nel film metallico aggiungendole al bagno durante il rivestimento per migliorare le proprietà del film per una maggiore durezza nel caso di ossidi metallici e carburi, scorrevolezza con polimeri o lubrificazione con oliliquidi 12,13. Tuttavia, poiché queste particelle mancano di un’attrazione intrinseca per il catodo, il rapporto tra composito incorporato nel metallo rimane basso per la placcatura da bagno13,14,15. Questo è particolarmente problematico per le particelle di grandi dimensioni che non si adsorbono al catodo abbastanza a lungo da essere incorporate dalla pellicola metallica in crescita. Inoltre, le particelle igroscopiche solvate in soluzioni acquose e il loro guscio di idratazione agisce come una barriera fisica che impedisce il contatto con il catodo16.
Alcuni metodi promettenti hanno dimostrato di mitigare questo effetto utilizzando solventi secchi non polari per rimuovere completamente la barriera diidratazione 17, o decorando le particelle composite con molecole tensioattivecariche 16 che interrompono il guscio di idratazione per consentire il contatto tra la particella e il catodo. Tuttavia, poiché questi metodi coinvolgono materiali organici, la contaminazione da carbonio è possibile nel film e la rottura di questi materiali organici potrebbe verificarsi agli elettrodi. Ad esempio, i solventi organici utilizzati (DMSO2 e acetamide) vengono riscaldati a 130 °C in atmosfera inerte per un rivestimento privo di aria; tuttavia, li abbiamo trovati instabili durante il rivestimento nell’aria. A causa del riscaldamento resistivo agli elettrodi, reazioni redox con materiali organici possono causare impurità o siti per nucleazione eterogenea e crescita di nanoparticelle metalliche18. Di conseguenza, è necessario un metodo di galvanica acquosa privo di organici che affronti la sfida di lunga data dell’adsorbimento particella-catodo. Finora, è stato dimostrato che il rivestimento da bagno composito metallico incorpora particelle fino a pochi micrometri didiametro 19 e fino al 15 % dicarico 16,17.
In risposta a ciò, descriviamo un metodo di elettrostamping inorganico senza bagno che costringe le particelle composite a essere incorporate nel film ad alte coperture superficiali nonostante le loro grandi dimensioni e natura igroscopica20. Rimuovendo il bagno, il processo non comporta contenitori di liquidi di rivestimento pericolosi e l’oggetto da placcare non deve essere sommerso. Pertanto, oggetti grandi, ingombranti o altrimenti sensibili alla corrosione o all’acqua, possono essere placcati o “timbrati” in aree selezionate con il materiale composito. Inoltre, la rimozione dell’acqua in eccesso richiede una minore pulizia dei rifiuti liquidi pericolosi.
Qui, dimostriamo questo metodo per produrre pellicole metalliche fluorescenti luminose co-depositando europium e disprosio non tossici e stabili all’aria drogati, alluminio stronzio (87 ± 30 μm) con nichel ad alti carichi (fino all’80%). Ciò è in contrasto con i precedenti esempi che erano placcati in un bagno e quindi erano limitati a piccoli (nanometri a pochi micrometri) fosfori12. Inoltre, le pellicole elettrodeposited precedentemente riportate fluoresce solo sotto la luce UV ad onde corte, ad eccezione di un recente rapporto che è cresciuto di 1 – 5 μm cristalli di luminescente luminescente alluminio in un film di allumina con ossidazione elettrolita al plasma21. Le pellicole metalliche fluorescenti potrebbero avere applicazioni di vasta portata in molti settori che coinvolgono ambienti dim-light tra cui illuminazione del segnalestradale 21,posizione e identificazione delle apparecchiature di manutenzione degli aeromobili20,decorazioni di automobili e giocattolo, messaggi invisibili, autenticazione delprodotto 22,illuminazione di sicurezza, identificazione dello stress meccanico10 e ispezione visiva dell’usura tribologica12,16. Nonostante questi potenziali usi per superfici metalliche incandescenti, questo metodo potrebbe anche essere ampliato per includere ulteriori particelle composite grandi e / o igroscopiche per produrre una nuova varietà di rivestimenti funzionali metallo-composito che in precedenza non erano possibili tramite galvanica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Fasi critiche dell’elettrostamping. L’elettrostamping bathless condivide molti degli stessi passaggi critici con la tradizionale galvanica da bagno. Questi includono una corretta pulizia degli elettrodi, la miscelazione di ioni metallici nell’elettrolita e l’applicazione e il potenziale esterno o chimico (placcatura elettroless) per causare la riduzione del metallo sul catodo. Inoltre, l’ossidazione dell’anodo e del catodo deve essere evitata dopo l’attivazione dell’acido risciacquando rapidamente con ac…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato supportato dal programma di miglioramento dell’affidabilità e della manutenibilità delle apparecchiature aeronautiche e dalla partnership Patuxent. Townsend è stato supportato da un’ONR Faculty Research Fellowship. Gli autori riconoscono anche il supporto generale della facoltà e degli studenti del Dipartimento di Chimica e Biochimica SMCM, incluso il supporto della squadra di calcio 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
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