ציפוי מתכת ללא אמבט מקומי באמצעות Electrostamping
Summary
מוצג כאן פרוטוקול של electroplating ללא אמבט, שבו ממרח מלח מתכת קיפאון המכיל חלקיקים מרוכבים מופחתים כדי ליצור מרוכבים מתכת בטעינה גבוהה. שיטה זו מטפלת באתגרים הניצבים בפני צורות נפוצות אחרות של אלקטרופלצ’ים (סילון, מברשת, אמבטיה) של הטבעת חלקיקי מרוכבים במטריצת המתכת.
Abstract
ציפוי מרוכב עם חלקיקים מוטבע לתוך מטריצת מתכת יכול לשפר את המאפיינים של ציפוי מתכת כדי להפוך אותו פחות או יותר מוליך, קשה, עמיד, משומן או פלורסנט. עם זאת, זה יכול להיות מאתגר יותר מאשר ציפוי מתכת, כי החלקיקים מרוכבים הם או 1) לא טעון כך אין להם משיכה אלקטרוסטטית חזקה קתודה, 2) הם היגרוסקופיים וחסומים על ידי מעטפת הידרציה, או 3) גדול מדי כדי להישאר קיפאון בקטודה תוך כדי ערבוב. כאן, אנו מתארים את הפרטים של שיטת ציפוי ללא אמבט הכוללת צלחות ניקל אנודה וקתודה כריך דבק אלקטרוליט מרוכז מים המכיל חלקיקי זרחן היגרוסקופי גדול קרום הידרופילי. לאחר יישום פוטנציאל, מתכת ניקל מופקד סביב חלקיקי זרחן קיפאון, לכידתם בסרט. הציפויים המורכבים מאופיינים במיקרוסקופ אופטי לחוסם הסרט, עובי וטעינת משטחים מורכבים. בנוסף, ספקטרוסקופיה פלואורסנטית יכולה לשמש כדי לכמת את בהירות התאורה של סרטים אלה כדי להעריך את ההשפעות של צפיפויות נוכחיות שונות, משך ציפוי וטעינת זרחן.
Introduction
Electroplating מסורתי משמש נרחב להפקדת סרטים דקים של מגוון מתכות, סגסוגות, מתכת מרוכבים על משטחים מוליך כדילתפקד אותם עבור יישום המיועד 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. שיטה זו מוסיפה גימור מתכת לחלקים המשמשים לייצור ציוד תעופה וחלל, כלי רכב, צבא, רפואי ואלקטרוני. האובייקט להיות מצופה, הקתודה, שקוע באמבט מים המכיל מבשרי מלח מתכת, אשר מצטמצמים למתכת על פני השטח של האובייקט על ידי יישום של פוטנציאל כימי או חשמלי. חלקיקים מרוכבים לא טעונים ניתן לשלב לתוך סרט מתכת על ידי הוספת אלה לאמבטיה במהלך ציפוי כדי לשפר את תכונות הסרט עבור קשיחות מוגברת במקרה של תחמוצות מתכת קרבידים, חלקות עם פולימרים או סיכה עם שמניםנוזליים 12,13. עם זאת, מכיוון שלחלקיקים אלה אין משיכה מובנית לתוך הקתודה, היחס בין מרוכבים המשולבים במתכת נותר נמוך עבורציפוי אמבטיה 13,14,15. זה בעייתי במיוחד עבור חלקיקים גדולים שלא adsorb קתודה מספיק זמן כדי להיות מוטבע על ידי סרט מתכת גדל. בנוסף, חלקיקים היגרוסקופיים להסתחרר בפתרונות מים מעטפת הידרציה שלהם פועל כמחסום פיזי המנועע מגע עםקתודה 16.
כמה שיטות מבטיחות הראו כדי למתן את האפקט הזה באמצעות ממיסים יבשים שאינם קוטביים כדי להסיר את מחסום ההידרציהלחלוטין 17, או על ידי לקשט את החלקיקים מרוכבים עם מולקולות פעילישטח טעונים 16 לשבש את מעטפת הידרציה כדי לאפשר מגע בין החלקיק הקתודה. עם זאת, מכיוון ששיטות אלה כרוכות בחומרים אורגניים, זיהום פחמן אפשרי בסרט ופירוק של חומרים אורגניים אלה עלול להתרחש באלקטרודות. לדוגמה, הממסים האורגניים המשמשים (DMSO2 ואצטמיד) מחוממים ל-130°C באווירה אינרטית לציפוי ללא אוויר; עם זאת, מצאנו אותם להיות לא יציבים במהלך ציפוי באוויר. בשל חימום התנגדותי באלקטרודות, תגובות redox עם חומרים אורגניים עלול לגרום לזהומים או אתרים עבור גרעין הטרוגני וצמיחה של חלקיקי מתכת18. כתוצאה מכך, יש צורך בשיטת אלקטרופלציה מים אורגנית ללא דרך הנותן מענה לאתגר ארוך השנים של תסרוקת חלקיקים-קתודה. עד כה, ציפוי אמבטיה מרוכב מתכת הוצג להטביע חלקיקים עד כמה מיקרומטרבקוטר 19 וגבוה ככל 15 %טעינה 16,17.
בתגובה לכך, אנו מתארים שיטת אלקטרו-החתמה חסרת אמבט לאאורגנית המכריחה חלקיקים מורכבים להיות מוטבעים בסרט בכיסויי משטח גבוהים למרות גודלם הגדול והטבע ההיגרוטי20. על ידי הסרת האמבטיה, התהליך אינו כרוך מכולות של נוזלי ציפוי מסוכנים ואת האובייקט להיות מצופה לא צריך להיות שקוע. לכן, אובייקטים גדולים, מסורבלים או אחרים רגישים לקורוזיה או למים, יכולים להיות מצופה או “מוטבעים” באזורים נבחרים עם החומר המורכב. בנוסף, הסרת עודפי מים דורשת פחות ניקוי של פסולת מסוכנת נוזלית.
כאן, אנו מדגימים שיטה זו כדי לייצר סרטי מתכת פלורסנט בהירים על ידי הפקדה לא רעילה ויציבה אוויר europium ו dysprosium מסומם, סטרונציום אלומיניום (87 ± 30 μm) עם ניקל בטעינה גבוהה (עד 80%). זה בא בניגוד לדוגמאות קודמות שהיו מצופים באמבטיה ולכן היו מוגבלים קטן (ננומטר לכמה מיקרומטר) זרחן12. בנוסף, דיווח בעבר על סרטים אלקטרו-מודרים פלואורסצ’ה רק תחת אור UV בגל קצר, למעט דו”ח שפורסם לאחרונה שגדל 1 – 5 μm גבישי אלומיניום סטרונצנטרי זוהר בסרט אלומיניום עם חמצון אלקטרוליטפלזמה 21. סרטי מתכת פלורסנט יכול להיות יישומים מרחיקי לכת בתעשיות רבות המערבות סביבות אור עמום כוללתאורת תמרורים כביש 21, מיקוםציוד תחזוקת מטוסים וזיהוי 20, רכבוקישוטי תעשוי, הודעות בלתי נראות,אימות מוצר 22, תאורתבטיחות, זיהוי מתח mechanochromic10 ו tribological ללבוש בדיקהחזותית 12,16. למרות שימושים פוטנציאליים אלה עבור משטחי מתכת זוהרים, שיטה זו יכולה גם להיות מורחבת כדי לכלול חלקיקים מרוכבים גדולים נוספים ו /או היגרוטסקופיים לייצר מגוון חדש של ציפויים פונקציונליים מתכת מרוכבים שלא היו אפשריים בעבר באמצעות electroplating.
Protocol
Representative Results
Discussion
צעדים קריטיים של התחשמלות. התחשמלות חסרת אמבט חולקת רבים מאותם צעדים קריטיים עם אלקטרופלט אמבטיה מסורתי. אלה כוללים ניקוי נכון של האלקטרודות, ערבוב יונים מתכת לתוך האלקטרוליט ויישום ופוטנציאל חיצוני או כימי (ציפוי אלקטרולס) לגרום להפחתת מתכת על הקתודה. בנוסף, חמצון של האנודה וקת?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי התוכנית לאמינות ושיפור התחזוקה של ציוד מטוסים ושותפות Patuxent. טאונסנד נתמך על ידי מלגת מחקר בפקולטה לחקר אונר”ר. המחברים גם מכירים בתמיכה הכללית של הפקולטה לכימיה וביוכימיה של SMCM וסטודנטים, כולל תמיכה של קבוצת הכדורגל 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 |
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).
