Lokalisierte Bathless Metal-Composite Plating via Electrostamping
Summary
Hier wird ein Protokoll der badelosen Galvanik vorgestellt, bei dem eine stagnierende Metallsalzpaste mit Verbundpartikeln zu Metallverbundwerkstoffen bei hoher Belastung reduziert wird. Diese Methode befasst sich mit den Herausforderungen anderer gängiger Formen der Galvanik (Jet, Pinsel, Bad) der Einbettung von Verbundpartikeln in die Metallmatrix.
Abstract
Die Verbundbeschichtung mit Partikeln, die in die Metallmatrix eingebettet sind, kann die Eigenschaften der Metallbeschichtung verbessern, um sie mehr oder weniger leitfähig, hart, langlebig, geschmiert oder fluoreszierend zu machen. Es kann jedoch schwieriger sein als die Metallbeschichtung, da die Zusammengesetzten Partikel entweder 1) nicht geladen sind, so dass sie keine starke elektrostatische Anziehungskraft auf die Kathode haben, 2) hygroskopisch sind und durch eine Hydratationshülle blockiert sind, oder 3) zu groß, um beim Rühren an der Kathode zu stagnieren. Hier beschreiben wir die Details einer badelosen Beschichtungsmethode, bei der Anoden- und Kathodennickelplatten eine wässrige konzentrierte Elektrolytpaste mit großen hygroskopischen Phosphorpartikeln und einer hydrophilen Membran enthalten. Nach dem Auftragen eines Potentials wird das Nickelmetall um die stagnierenden Phosphorpartikel abgelagert und in der Folie eingeschlossen. Die Verbundbeschichtungen zeichnen sich durch optische Mikroskopie für Folienrauheit, Dicke und Verbundflächenbelastung aus. Darüber hinaus kann die Fluoreszenzspektroskopie verwendet werden, um die Beleuchtungshelligkeit dieser Filme zu quantifizieren, um die Auswirkungen verschiedener Stromdichten, Beschichtungsdauer und Phosphorbelastung zu bewerten.
Introduction
Traditionelle Galvanik ist weit verbreitet verwendet, um dünne Schichten einer Vielzahl von Metallen, Legierungen und Metall-Verbundwerkstoffe auf leitfähige Oberflächen zu legen, um sie für die beabsichtigte Anwendungzufunktionalisieren 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12. Diese Methode fügt Teilen, die in der Herstellung von Luft- und Raumfahrt, Automobil,- militär,medizinischer und elektronischer Ausrüstung verwendet werden, eine Metalloberfläche hinzu. Das zu vergoldete Objekt, die Kathode, wird in ein wässriges Bad mit Metallsalzvorläufern getaucht, die durch die Anwendung eines chemischen oder elektrischen Potentials an der Oberfläche des Objekts auf Metall reduziert werden. Nicht geladene Verbundpartikel können in die Metallfolie eingebaut werden, indem diese während der Beschichtung in das Bad eingebracht werden, um die Folieneigenschaften für erhöhte Härte bei Metalloxiden und Karbiden, Glätte mit Polymeren oder Schmierung mit flüssigen Ölen12,13zu verbessern. Da diese Partikel jedoch keine inhärente Anziehungskraft auf die Kathode haben, bleibt das Verhältnis von Verbundwerkstoffen, das in das Metall eingebaut ist, für die Badbeschichtung13,14,15niedrig. Dies ist besonders problematisch für große Teilchen, die nicht lange genug an die Kathode adsorbieren, um von der wachsenden Metallfolie eingebettet zu werden. Darüber hinaus wirken hygroskopische Partikel in wässrigen Lösungen und deren Hydratationshülle als physische Barriere, die den Kontakt mit der Kathode16behindert.
Einige vielversprechende Methoden haben gezeigt, um diesen Effekt zu mildern, indem trockene unpolare Lösungsmittel verwendet werden, um die Hydratationsbarriere vollständig zu entfernen17, oder indem die zusammengesetzten Partikel mit geladenen Tensidmolekülen16 dekoriert werden, die die Hydratationshülle stören, um den Kontakt zwischen dem Teilchen und der Kathode zu ermöglichen. Da es sich bei diesen Methoden jedoch um organische Materialien handelt, ist eine Kohlenstoffkontamination im Film möglich und der Abbau dieser organischen Materialien könnte an den Elektroden auftreten. Beispielsweise werden die verwendeten organischen Lösungsmittel (DMSO2 und Acetamide) in einer inerten Atmosphäre zur luftfreien Beschichtung auf 130 °C erhitzt; Wir stellten jedoch fest, dass sie während der Beschichtung in der Luft instabil waren. Durch die widerstandsbeständige Erwärmung an den Elektroden können Redoxreaktionen mit organischen Materialien zu Verunreinigungen oder Stellen für heterogene Keimbildung und Wachstum von Metall-Nanopartikeln führen18. Daher ist eine organisch-freie wässrige Galvanikmethode erforderlich, die die seit langem bestehende Herausforderung der Partikel-Kathodenadsorption bewältigen. Bisher hat sich gezeigt, dass die Metall-Verbund-Badebeschichtung Partikel bis zu wenigen Mikrometern Durchmesser19 und bis zu 15 % Belastung16,17einbettet.
Als Reaktion darauf beschreiben wir eine anorganische badelose Elektroprägungsmethode, die verbundstoffliche Partikel zwingt, trotz ihrer großen Größe und hygroskopischen Natur20bei hohen Oberflächenabdeckungen in den Film eingebettet zu werden. Durch das Entfernen des Bades umfasst das Verfahren keine Behälter mit gefährlichen Beschichtungsflüssigkeiten und das zu verschichtende Objekt muss nicht untergetaucht werden. Daher können große, umständliche oder anderweitig korrosions- oder wasserempfindliche Objekte in ausgewählten Bereichen mit dem Verbundwerkstoff plattiert oder “gestempelt” werden. Darüber hinaus erfordert die Entfernung von überschüssigem Wasser weniger Reinigung von flüssigen gefährlichen Abfällen.
Hier zeigen wir diese Methode zur Herstellung heller fluoreszierender Metallfolien durch Co-Ablagerung von ungiftigem und luftstabilem Europium und dysprosium dotiertem Strontium-Aluminat (87 ± 30 m) mit Nickel bei hohen Belastungen (bis zu 80 %). Dies steht im Gegensatz zu früheren Beispielen, die in einem Bad plattiert wurden und daher auf kleine (Nanometer auf wenige Mikrometer) Phosphore12beschränkt waren. Darüber hinaus fluoreszieren zuvor elektrodepositierte Filme nur unter kurzwelligem UV-Licht, mit Ausnahme eines aktuellen Berichts, der in einem Aluminiumoxidfilm mit Plasmaelektrolytoxidation 21 – 5 m lumineszierende Strontium-Aluminatkristalle in einem Aluminiumoxidfilm mit Plasmaelektrolytoxidationwuchs. Fluoreszierende Metallfolien könnten weitreichende Anwendungen in vielen Branchen haben, einschließlich Dim-Light-Umgebungen, einschließlich Straßenschildbeleuchtung21, Standort der Flugzeugwartung und Identifikation20, Automobil- und Spielzeugdekorationen, unsichtbare Botschaften, Produktauthentifizierung22, Sicherheitsbeleuchtung, mechanochromische Stressidentifikation10 und tribologische Verschleiß visuelle Inspektion12,16. Trotz dieser möglichen Verwendungen für glühende Metalloberflächen könnte dieses Verfahren auch um zusätzliche große und/oder hygroskopische Verbundpartikel erweitert werden, um eine neue Vielfalt von Metall-Verbund-Funktionsbeschichtungen zu erzeugen, die bisher durch Galvanik nicht möglich waren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische Schritte des Elektrostempelns. Bathless Elektrostamping teilt viele der gleichen kritischen Schritte mit traditionellen Bad Galvanik. Dazu gehören eine ordnungsgemäße Reinigung der Elektroden, das Mischen von Metallionen in den Elektrolyten und das Auftragen und das externe oder chemische (elektrolose Beschichtungs) Potenzial, um eine Reduktion des Metalls auf die Kathode zu bewirken. Darüber hinaus sollte die Oxidation der Anode und Kathode nach der Säureaktivierung vermieden werden, inde…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch das Aircraft Equipment Reliability and Maintainability Improvement Program und die Patuxent Partnership unterstützt. Townsend wurde von einem ONR Faculty Research Fellowship unterstützt. Die Autoren würdigen auch die allgemeine Unterstützung der Fakultät für Chemie und Biochemie des SMCM und der Studenten, einschließlich der Unterstützung durch das SMCM-Fußballteam.
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).
