Локализованный без ванн Металл-Композитный платы с помощью электростампинга
Summary
Здесь представлен протокол без ванн электроплета, где застойная металлическая солевая паста, содержащая составные частицы, сводится к формированию металлических композитов при высокой загрузке. Этот метод решает проблемы, с которыми сталкиваются другие распространенные формы электроплеинга (струя, кисть, ванна) встраивания частиц композитов в металлическую матрицу.
Abstract
Композитное покрытие с частицами, встроенными в металлическую матрицу, может повысить свойства металлического покрытия, чтобы сделать его более или менее проводящим, прочным, прочным, смазано или флуоресцентным. Тем не менее, это может быть более сложным, чем металлическое покрытие, потому что составные частицы либо 1) не заряжается, чтобы они не имеют сильного электростатического притяжения к катоду, 2) являются гигроскопическими и блокируются гидратационной оболочки, или 3) слишком большой, чтобы оставаться застой в катоде при перемешивании. Здесь мы описываем детали без ванн покрытие метод, который включает в себя анод и катодные никелевые пластины сэндвич aqueous концентрированной электролитной пасты, содержащей большие гигроскопические фосфоресцирующие частицы и гидрофильной мембраны. После применения потенциала, никель металла откладывается вокруг застойных частиц фосфора, захватив их в пленку. Композитные покрытия характеризуются оптической микроскопией для шероховатости пленки, толщины и композитной поверхности. Кроме того, флуоресцентная спектроскопия может быть использована для количественной оценки яркости освещения этих пленок для оценки воздействия различных плотностей тока, продолжительности покрытия и фосфорной нагрузки.
Introduction
Традиционные электроплемы широко используются для депонирования тонких пленок различных металлов, сплавов и металлических композитов на проводящие поверхности для ихфункционализации для предполагаемого применения 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Этот метод добавляет металлическую отделку к частям, используемым в производстве аэрокосмического, автомобильного, военного, медицинского и электронного оборудования. Объект, который должен быть потолочен, катод, погружается в аквеозную ванну, содержащую металлические прекурсоры соли, которые сведены к металлу на поверхности объекта с применением химического или электрического потенциала. Не заряженные композитные частицы могут быть включены в металлическую пленку, добавив их в ванну во время покрытия для повышения свойств пленки для повышенной твердости в случае оксидов металла и карбидов, гладкости с полимерами или смазки жидкимимаслами 12,13. Однако, поскольку эти частицы не имеют присущего притяжения к катоду, соотношение композита, который включен в металл остается низким для ванныпокрытие 13,14,15. Это особенно проблематично для крупных частиц, которые не адсорбируют катод достаточно долго, чтобы быть встроенными в растущую металлическую пленку. Кроме того, гигроскопические частицы solvate в aqueous решений и их гидратации оболочки действует как физический барьер, посягающий на контакт скатодом 16.
Некоторые перспективные методы были показаны, чтобы смягчить этот эффект с помощью сухих неполярных растворителей, чтобыудалить гидратационные барьер полностью 17, или путем украшения композитных частиц с заряженнымимолекулами сурфактанта 16, которые нарушают оболочку гидратации, чтобы позволить контакт между частицей и катодом. Однако, поскольку эти методы включают органические материалы, углеродное загрязнение возможно в пленке и разбивка этих органических материалов может произойти на электродах. Например, используемые органические растворители (DMSO2 и ацетамид) нагреваются до 130 градусов цельсия в инертной атмосфере для без воздуха покрытия; однако, мы обнаружили, что они нестабильны во время покрытия в воздухе. Из-за резистивного нагрева на электродах, редоксовые реакции с органическими материалами могут привести к примесям или участкам для неоднородного нуклеации и роста металлическихнаночастиц 18. В результате, существует необходимость в органических свободных aqueous электроплея метод, который решает давнюю проблему частиц-катодных adorption. До сих пор было показано, что металлическо-композитное покрытие ванны встраивает частицы до несколькихмикрометров диаметром 19 и до 15%нагрузки 16,17.
В ответ на это мы описываем неорганический метод электростампирования без ванн, который заставляет составные частицы встраиться в пленку при высоких поверхностных покрытиях, несмотря на их большие размеры и гигроскопическуюприроду 20. Удаляя ванну, процесс не включает в себя контейнеры опасных жидкостей покрытия и объект, который должен быть покрыт не должны быть погружены. Таким образом, крупные, громоздкие или иным образом коррозионные или водочувствительные объекты могут быть помыты или “штамповаться” в отдельных областях с композитным материалом. Кроме того, удаление избыточной воды требует меньшей очистки жидких опасных отходов.
Здесь мы демонстрируем этот метод производства ярких флуоресцентных металлических пленок путем совместного депонирования нетоксичных и стабилизирующих воздуха европия и диспрозия, стронция глинозема (87 ± 30 мкм) с никелем при высоких нагрузках (до 80%). Это происходит в отличие от предыдущих примеров, которые были помыты в ванне и, следовательно, были ограничены небольшими (нанометров до нескольких микрометров)фосфора 12. Кроме того, ранее сообщалось о электродепозитных пленках флуоресцентных пленок только под коротковолновым ультрафиолетовым светом, за исключением недавнего отчета, который вырос на 1 – 5 мкм люминесцентных кристаллов стронция глинозема в глиноземной пленке с плазменным электролитнымокисллением 21. Флуоресцентные металлические пленки могут иметь далеко идущие приложения во многих отраслях промышленности с участием тусклый светсреды, включая освещение дорожных знаков 21,техническое обслуживание самолета оборудования местоположение и идентификация 20, автомобильные и toy украшения, невидимыесообщения, проверка подлинности продукта 22, освещение безопасности, механохромнаяидентификация стресса 10 и трибологическийизнос визуальный осмотр 12,16. Несмотря на эти потенциальные виды использования светящихся металлических поверхностей, этот метод также может быть расширен, чтобы включить дополнительные крупные и/или гигроскопические композитные частицы для производства нового разнообразия металло-композитных функциональных покрытий, которые ранее были невозможны с помощью электроплит.
Protocol
Representative Results
Discussion
Критические шаги электрошока. Без ванн электростампирование разделяет многие из тех же критических шагов с традиционными электроплитами ванны. К ним относятся надлежащая очистка электродов, смешивание ионов металла в электролит и применение и внешнего или химического (без э…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Программой надежности и обслуживания авиационного оборудования и Партнерством Патуксента. Таунсенд был поддержан научно-исследовательским стипендией факультета ONR. Авторы также признают общую поддержку факультета химии и биохимии SMCM и студентов, включая поддержку со стороны футбольной команды 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).
