Lokalisert Bathless Metal-Kompositt Plating via Electrostamping
Summary
Presentert her er en protokoll av badløs elektroplating, hvor en stillestående metall saltpasta som inneholder komposittpartikler reduseres for å danne metallkompositter ved høy belastning. Denne metoden løser utfordringene som andre vanlige former for galvanisering (jet, børste, bad) av å bygge inn komposittpartikler i metallmatrisen.
Abstract
Komposittplating med partikler innebygd i metallmatrisen kan forbedre egenskapene til metallbelegget for å gjøre det mer eller mindre ledende, hardt, holdbart, smurt eller fluorescerende. Det kan imidlertid være mer utfordrende enn metallplating, fordi komposittpartiklene enten er 1) ikke ladet slik at de ikke har en sterk elektrostatisk tiltrekning til katoden, 2) er hygroskopiske og er blokkert av et hydreringsskall, eller 3) for stor til å forbli stagnert ved katoden under omrøring. Her beskriver vi detaljene i en badeløs plating metode som innebærer anode og katode nikkel plater sandwiching en vandig konsentrert elektrolytt pasta som inneholder store hygroskopiske fosforescerende partikler og en hydrofil membran. Etter å ha påført et potensial, blir nikkelmetallet deponert rundt de stillestående fosforpartiklene, og fanger dem i filmen. Komposittbelegget er preget av optisk mikroskopi for filmråhet, tykkelse og komposittoverflatelasting. I tillegg kan fluorescensspektroskopi brukes til å kvantifisere belysningslysheten til disse filmene for å vurdere effekten av ulike nåværende tettheter, beleggvarighet og fosforbelastning.
Introduction
Tradisjonell galvanisering er mye brukt til å deponere tynne filmer av en rekke metaller, legeringer og metall-kompositter på ledende overflater for å funksjonalisere dem for den tiltenkteapplikasjonen 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Denne metoden legger til en metallfinish til deler som brukes i produksjon av luftfart, bilindustrien, militært, medisinsk og elektronisk utstyr. Objektet som skal belagt, katoden, er nedsenket i et vandig bad som inneholder metallsalt forløpere, som reduseres til metall på overflaten av objektet ved bruk av et kjemisk eller elektrisk potensial. Ikke-ladede komposittpartikler kan innlemmes i metallfilmen ved å legge disse til badet under belegg for å forbedre filmegenskapene for økt hardhet i tilfelle av metalloksider og karbider, glatthet med polymerer eller smøring med flytendeoljer 12,13. Men fordi disse partiklene mangler en iboende tiltrekning til katoden, forblir forholdet mellom kompositt som er innlemmet i metallet lav for badplating13,14,15. Dette er spesielt problematisk for store partikler som ikke adsorberer til katoden lenge nok til å bli innebygd av den voksende metallfilmen. I tillegg fungerer hygroskopiske partikler i vandige løsninger, og deres hydreringsskall fungerer som en fysisk barriere som hinder kontakt med katoden16.
Noen lovende metoder har vist seg å redusere denne effekten ved å bruke tørre ikke-polare løsemidler for å fjerne hydreringsbarrierenhelt 17, eller ved å dekorere komposittpartiklene med ladede overflateaktivemolekyler 16 som forstyrrer hydreringsskallet for å tillate kontakt mellom partikkelen og katoden. Men fordi disse metodene involverer organiske materialer, er karbonforurensning mulig i filmen, og nedbrytning av disse organiske materialene kan forekomme ved elektrodene. For eksempel varmes de organiske løsemidlene som brukes (DMSO2 og acetamide) opp til 130 °C i en inert atmosfære for luftfritt belegg; Men vi fant dem å være ustabile under belegg i luft. På grunn av resistiv oppvarming ved elektrodene, kan redoksreaksjoner med organiske materialer føre til urenheter eller steder for heterogen kjernering og vekst av metallnanopartikler18. Som et resultat er det behov for en organisk fri vandig elektroplatingmetode som tar for seg den langvarige utfordringen med partikkelkathode adsorpsjon. Så langt har metallkomposittbadbelegg vist seg å legge inn partikler opp til noen få mikrometer i diameter19 og så høyt som 15 % lasting16,17.
Som svar på dette beskriver vi en uorganisk badeløs elektrostampingsmetode som tvinger komposittpartikler til å bli innebygd i filmen ved høye overflatedekninger til tross for deres store størrelse og hygroskopiskenatur 20. Ved å fjerne badet, innebærer prosessen ikke beholdere med farlige belegg væsker og objektet som skal belagt trenger ikke å senkes ned. Derfor kan store, tungvinte eller på annen måte korrosjons- eller vannfølsomme gjenstander, belagt eller “stemplet” i utvalgte områder med komposittmaterialet. I tillegg krever fjerning av overflødig vann mindre opprydding av flytende farlig avfall.
Her demonstrerer vi denne metoden for å produsere lyse fluorescerende metallfilmer ved å samtidigde deponere giftfrie og luftstabile europium og dysprosium dopet, strontium aluminate (87 ± 30 μm) med nikkel ved høye belastninger (opptil 80%). Dette kommer i motsetning til tidligere eksempler som ble belagt i et bad og derfor var begrenset til små (nanometer til noen mikrometer) fosforer12. I tillegg, tidligere rapportert elektrodepositede filmer fluorescerer bare under kortbølge UV-lys, med unntak av en nylig rapport som vokste 1 – 5 μm selvlysende strontium aluminate krystaller i en aluminafilm med plasma elektrolyttoksidasjon 21. Fluorescerende metallfilmer kan ha vidtrekkende applikasjoner i mange bransjer som involverer svakt lys miljøer inkludert veiskilt belysning21,fly vedlikehold utstyr plassering og identifikasjon20,bil og leketøy dekorasjoner, usynlige meldinger, produkt autentisering22, sikkerhetsbelysning, mechanochromic stress identifikasjon10 og tribological slitasje visuell inspeksjon12,16. Til tross for disse potensielle bruksområdene for glødende metalloverflater, kan denne metoden også utvides til å omfatte flere store og/ eller hygroskopiske komposittpartikler for å produsere et nytt utvalg av metallkomposittfunksjonelle belegg som tidligere ikke var mulig via galvanisering.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiske trinn i elektrostamping. Bathless elektrostamping deler mange av de samme kritiske trinnene med tradisjonell badelektroplating. Disse inkluderer riktig rengjøring av elektrodene, blanding av metallioner i elektrolytten og påføring og ekstern eller kjemisk (elektroløs plating) potensial for å forårsake reduksjon av metall på katoden. I tillegg bør oksidasjonen av anoden og katoden unngås etter syreaktivering ved raskt å skylle med vann og legge disse elektrodene til oppsettet.
<p cl…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Aircraft Equipment Reliability and Maintainability Improvement Program og Patuxent Partnership. Townsend ble støttet av et ONR Fakultets stipendiat. Forfatterne anerkjenner også den generelle støtten fra SMCM Kjemi og Biochemistry Department fakultet og studenter, inkludert støtte fra SMCM fotballag.
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).
