Gelokaliseerd Bathless Metal-Composite Plating via Electrostamping
Summary
Hier gepresenteerd is een protocol van badloze elektroplating, waar een stagnerende metalen zoutpasta met composietdeeltjes worden gereduceerd tot metalen composieten vormen bij hoge belasting. Deze methode pakt de uitdagingen aan waarmee andere veelvoorkomende vormen van elektroplating (straal, borstel, bad) worden geconfronteerd om composietdeeltjes in de metalen matrix in te bedden.
Abstract
Composiet beplating met deeltjes ingebed in de metalen matrix kan verbeteren van de eigenschappen van de metalen coating om het min of meer geleidend, hard, duurzaam, gesmeerd of fluorescerend. Het kan echter uitdagender zijn dan metalen beplating, omdat de composietdeeltjes ofwel 1) niet zijn opgeladen, zodat ze geen sterke elektrostatische aantrekkingskracht hebben op de kathode, 2) hygroscopisch zijn en worden geblokkeerd door een hydratatieschaal, of 3) te groot om te blijven stagneren bij de kathode tijdens het roeren. Hier beschrijven we de details van een badloze beplating methode waarbij anode en kathode nikkel platen sandwiching een waterige geconcentreerde elektrolyt pasta met grote hygroscopische fosforescerende deeltjes en een hydrofiel membraan. Na het toepassen van een potentieel wordt het nikkelmetaal afgezet rond de stagnerende fosfordeeltjes, waardoor ze in de film worden gevangen. De composietcoatings worden gekenmerkt door optische microscopie voor filmruwheid, dikte en composietoppervlakbelasting. Bovendien kan fluorescentiespectroscopie worden gebruikt om de helderheid van de verlichting van deze films te kwantificeren om de effecten van verschillende huidige dichtheden, coatingduur en fosforbelasting te beoordelen.
Introduction
Traditionele elektroplating wordt veel gebruikt om dunne folies van een verscheidenheid aan metalen, legeringen en metaalcomposieten op geleidende oppervlakken te deponeren om ze te functionaliseren voor de beoogde toepassing1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Deze methode voegt een metalen afwerking toe aan onderdelen die worden gebruikt bij de productie van lucht- en ruimtevaart, automobiel-, militaire, medische en elektronische apparatuur. Het te vergulden object, de kathode, wordt ondergedompeld in een waterig bad met metalen zout precursoren, die worden gereduceerd tot metaal aan het oppervlak van het object door de toepassing van een chemische of elektrische potentieel. Niet-geladen composietdeeltjes kunnen in de metaalfilm worden verwerkt door deze tijdens de coating aan het bad toe te voegen om de eigenschappen van de film voor verhoogde hardheid in het geval van metaaloxiden en carbiden, gladheid met polymeren of smering met vloeibare oliën12,13te verbeteren . Echter, omdat deze deeltjes geen inherente aantrekkingskracht hebben op de kathode, blijft de verhouding van composiet die in het metaal is verwerkt laag voor badplating13,14,15. Dit is vooral problematisch voor grote deeltjes die niet lang genoeg aan de kathode adsorden om door de groeiende metaalfilm te worden ingebed. Bovendien, hygroscopische deeltjes solvate in waterige oplossingen en hun hydratatie shell fungeert als een fysieke barrière belemmeren contact met de kathode16.
Sommige veelbelovende methoden zijn aangetoond dat dit effect te verzachten door het gebruik van droge niet-polaire oplosmiddelen om de hydratatie barrière volledig te verwijderen17, of door het versieren van de composiet deeltjes met geladen oppervlakteactieve moleculen16 die de hydratatie shell verstoren om contact tussen het deeltje en de kathode mogelijk te maken. Omdat deze methoden echter organische materialen omvatten, is koolstofverontreiniging mogelijk in de film en kan de afbraak van deze organische materialen optreden bij de elektroden. Zo worden de gebruikte organische oplosmiddelen (DMSO2 en acetamide) verwarmd tot 130 °C in een inerte atmosfeer voor luchtvrije coating; echter, we vonden ze instabiel tijdens coating in de lucht. Als gevolg van weerstandsverwarming bij de elektroden kunnen redoxreacties met organische materialen leiden tot onzuiverheden of plaatsen voor heterogene nucleatie en groei van metalen nanodeeltjes18. Als gevolg hiervan is er behoefte aan een organisch-vrije waterige elektroplating methode die de langdurige uitdaging van deeltjes-kathode adsorptie adressen. Tot nu toe is aangetoond dat metaalcomposiet badcoating deeltjes tot een paar micrometer in diameter19 en tot 15 % belasting16,17.
In reactie hierop beschrijven we een anorganische badloze elektrostampingsmethode die composietdeeltjes dwingt om in de film te worden ingebed bij hoge oppervlaktedekkingen, ondanks hun grote omvang en hygroscopische aard20. Door het verwijderen van het bad, het proces omvat niet containers van gevaarlijke coating vloeistoffen en het object te verguld hoeft niet te worden ondergedompeld. Daarom kunnen grote, omslachtige of anderszins corrosie- of watergevoelige voorwerpen worden verguld of “gestempeld” in bepaalde gebieden met het composietmateriaal. Bovendien vereist het verwijderen van overtollig water minder reiniging van vloeibaar gevaarlijk afval.
Hier demonstreren we deze methode om heldere fluorescerende metalen folies te produceren door niet-toxische en luchtstallig europium en dysprosium gesedrogeerd, strontiumaluminaat (87 ± 30 μm) met nikkel bij hoge beladingen (tot 80%). Dit komt in tegenstelling tot eerdere voorbeelden die werden verguld in een bad en daarom waren beperkt tot kleine (nanometer tot een paar micrometer) fosforen12. Bovendien, eerder gemelde elektrodeposited films fluoresce alleen onder korte golf UV-licht, met uitzondering van een recent rapport dat groeide 1 – 5 μm luminescent strontium auminaat kristallen in een aluminiumoxide film met plasma elektrolyt oxidatie21. Fluorescerende metalen folies kunnen verstrekkende toepassingen hebben in vele industrieën met dimlichtomgevingen, waaronder verkeersbordverlichting21,locatie voor vliegtuigonderhoudsapparatuur en identificatie20, auto- en speelgoeddecoraties, onzichtbare berichten, productauthenticatie22, veiligheidsverlichting, mechanochromische stress-identificatie10 en tribologische slijtage visuele inspectie12,16. Ondanks deze mogelijke toepassingen voor gloeiende metalen oppervlakken, kan deze methode ook worden uitgebreid met extra grote en/of hygroscopische composietdeeltjes om een nieuwe variëteit van metaalcomposiet functionele coatings te produceren die voorheen niet mogelijk waren via elektroplating.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritieke stappen van elektrostamping. Badloze elektrostamping deelt veel van dezelfde kritieke stappen met traditionele badelektroplating. Deze omvatten een goede reiniging van de elektroden, het mengen van metaalionen in het elektrolyt en het toepassen en externe of chemische (elektroloze beplating) potentieel om vermindering van metaal op de kathode te veroorzaken. Bovendien moet de oxidatie van de anode en kathode worden vermeden na zure activering door snel te spoelen met water en deze elektroden aan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door het Aircraft Equipment Reliability and Maintainability Improvement Program en het Patuxent Partnership. Townsend werd ondersteund door een ONR Faculty Research Fellowship. De auteurs erkennen ook de algemene steun van de faculteit en studenten van de afdeling Scheikunde en Biochemie van de SMCM, inclusief steun van het SMCM-voetbalteam.
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).
