Placage métal-composite sans bain localisé par électrostamping
Summary
Présenté ici est un protocole d’électroplaque sans bain, où une pâte de sel métallique stagnante contenant des particules composites sont réduites pour former des composites métalliques à charge élevée. Cette méthode répond aux défis auxquels sont confrontées d’autres formes courantes d’électroplaque (jet, brosse, bain) d’intégration de particules composites dans la matrice métallique.
Abstract
Le placage composite avec des particules intégrées dans la matrice métallique peut améliorer les propriétés du revêtement métallique pour le rendre plus ou moins conductrice, dure, durable, lubrifiée ou fluorescente. Cependant, il peut être plus difficile que le placage en métal, parce que les particules composites sont soit 1) non chargées de sorte qu’ils n’ont pas une forte attraction électrostatique à la cathode, 2) sont hygroscopiques et sont bloqués par une coquille d’hydratation, ou 3) trop grand pour rester stagnant à la cathode tout en remuant. Ici, nous décrivons les détails d’une méthode de placage sans bain qui implique des plaques d’anode et de nickel cathodique en sandwich avec une pâte d’électrolyte concentrée aqueuse contenant de grandes particules phosphorescentes hygroscopiques et une membrane hydrophilique. Après l’application d’un potentiel, le nickel métal est déposé autour des particules stagnantes de phosphore, les piégeant dans le film. Les revêtements composites sont caractérisés par une microscopie optique pour la rugosité du film, l’épaisseur et la charge composite de surface. En outre, la spectroscopie de fluorescence peut être employée pour quantifier la luminosité d’illumination de ces films pour évaluer les effets de diverses densités actuelles, durée de revêtement et charge de phosphore.
Introduction
L’électroplaque traditionnelle est largement utilisée pour déposer des couches minces d’une variété de métaux, alliages et composites métalliques sur des surfaces conductrices pour les fonctionnaliser pour l’applicationprévue 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Cette méthode ajoute une finition métallique aux pièces utilisées dans la fabrication d’équipements aérospatiaux, automobiles, militaires, médicaux et électroniques. L’objet à plaquer, la cathode, est immergé dans un bain aqueux contenant des précurseurs de sel métallique, qui sont réduits en métal à la surface de l’objet par l’application d’un potentiel chimique ou électrique. Les particules composites non chargées peuvent être incorporées dans le film métallique en les ajoutant au bain pendant le revêtement afin d’améliorer les propriétés du film pour une dureté accrue dans le cas des oxydes métalliques et des carbures, de la douceur avec des polymères ou de la lubrification avec des huilesliquides 12,13. Cependant, parce que ces particules n’ont pas une attirance inhérente à la cathode, le rapport de composite qui est incorporé dans le métal reste faible pour le placagede bain 13,14,15. Ceci est particulièrement problématique pour les grosses particules qui n’adsorbent pas à la cathode assez longtemps pour être incorporées par le film métallique en croissance. En outre, les particules hygroscopiques se solvent dans des solutions aqueuses et leur coquille d’hydratation agit comme une barrière physique entravant le contact avec la cathode16.
Il a été démontré que certaines méthodes prometteuses atténuent cet effet en utilisant des solvants secs non polaires pour enlever complètement la barrièred’hydratation 17,ou en décorant les particules composites de molécules chargées de surfactant16 qui perturbent la coquille d’hydratation pour permettre le contact entre la particule et la cathode. Cependant, parce que ces méthodes impliquent des matières organiques, la contamination au carbone est possible dans le film et la décomposition de ces matières organiques pourrait se produire aux électrodes. Par exemple, les solvants organiques utilisés (DMSO2 et acétamide) sont chauffés à 130 °C dans une atmosphère inerte pour un revêtement sans air; cependant, nous les avons trouvés instables pendant le revêtement dans l’air. En raison du chauffage résistant aux électrodes, les réactions de redox avec des matières organiques peuvent avoir comme conséquence des impuretés ou des emplacements pour la nucléation hétérogène et la croissance des nanoparticules métalliques18. Par conséquent, il est nécessaire d’avoir une méthode d’électroplaque aqueuse sans organique qui réponde au défi de longue date de l’adsorption particule-cathode. Jusqu’à présent, il a été démontré que le revêtement de bain métal-composite intègre des particules jusqu’à quelques micromètres dediamètre 19 et jusqu’à 15 % dechargement 16,17.
En réponse à cela, nous décrivons une méthode inorganique d’électrostamping sans bain qui force les particules composites à s’incruster dans le film à des couvertures de surface élevées malgré leur grande taille et leur nature hygroscopique20. En enlevant le bain, le processus n’implique pas de contenants de liquides de revêtement dangereux et l’objet à plaquer n’a pas besoin d’être submergé. Par conséquent, les objets gros, encombrants ou sensibles à la corrosion ou à l’eau peuvent être plaqués ou « estampillés » dans certaines zones avec le matériau composite. De plus, l’élimination de l’excès d’eau nécessite moins de nettoyage des déchets liquides dangereux.
Ici, nous démontrons cette méthode pour produire des films métalliques fluorescents lumineux en co-déposant de l’europium non toxique et stable dans l’air et du dysprosium dopé, aluminate de strontium (87 ± 30 μm) avec du nickel à des charges élevées (jusqu’à 80%). Cela contraste avec les exemples précédents qui ont été plaqués dans un bain et ont donc été limités à de petits phosphores (nanomètres à quelques micromètres)12. En outre, les films électrodeposited précédemment rapportés fluorent seulement sous la lumière UV à ondes courtes, à l’exception d’un rapport récent qui a grandi 1 – 5 cristaux luminescents d’alumine de strontium de μm dans un film d’alumine avec oxydation d’électrolyte de plasma21. Les films métalliques fluorescents pourraient avoir des applications de grande envergure dans de nombreuses industries impliquant des environnements de faible lumière, y compris l’éclairagedes panneaux routiers 21, l’emplacement de l’équipement d’entretien des aéronefset l’identification 20, décorations automobiles et de jouet, messages invisibles, authentificationdu produit 22, éclairage de sécurité, identification du stress mécanochromique10 et inspection visuelle de l’usure tribologique12,16. Malgré ces utilisations potentielles pour les surfaces métalliques brillantes, cette méthode pourrait également être élargie pour inclure d’autres particules composites grandes et/ou hygroscopiques pour produire une nouvelle variété de revêtements fonctionnels composites métalliques qui n’étaient pas possibles auparavant par électroplacage.
Protocol
Representative Results
Discussion
Étapes critiques de l’électrostamping. L’électrostamping sans bain partage bon nombre des mêmes étapes critiques avec l’électroplaque de bain traditionnel. Il s’agit notamment d’un nettoyage approprié des électrodes, le mélange d’ions métalliques dans l’électrolyte et l’application et externe ou chimique (placage électroless) potentiel de causer la réduction du métal sur la cathode. En outre, l’oxydation de l’anode et de la cathode doit être évitée après l’activati…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ces travaux ont été appuyés par le Programme d’amélioration de la fiabilité et de l’entretien de l’équipement des aéronefs et le Partenariat Patuxent. Townsend a reçu l’appui d’une bourse de recherche de la Faculté de l’ONR. Les auteurs reconnaissent également le soutien général de la faculté et des étudiants du département de chimie et biochimie du SMCM, y compris le soutien de l’équipe de football du 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 |
Referências
- 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).
