CC BY
1
УДК 669.058.7
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ОДНОСТЕННЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ПРОЦЕСС ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ
© 2024 А. Д. Щепеткин1, К. А. Волочилов2, П. А. Белов3
1 обучающийся детского технопарка «Кванториум» Лицей-интернат №1 2 студент направления «Электроника и наноэлектроника» 3 канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики и нанотехнологий e-mail: beliy2010@ rambler.ru
Курский государственный университет
В статье рассматриваются способы получения композиционного покрытия с добавлением УНТ, а также устанавливается влияние присутствия УНТ на выход металла по току и на свойства медного покрытия
Ключевые слова: углеродные нанотрубки (УНТ), композиционное электрохимическое покрытие
THE METHOD OF STUDYING THE EFFECT OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES ON THE PROCESS OF OBTAINING COPPER ELECTROCHEMICAL COATINGS
© 2024 A. D. Shchepetkin1, K. A. Volochilov2, P. A. Belov3
1Student of the children's technopark "Quantorium" Boarding School No. 1 2 Student of the direction "Electronics and nanoelectronics" 3Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department
of Physics and Nanotechnology e-mail: [email protected]
Kursk State University
The article discusses methods for obtaining a composite coating with the addition of CNTs, and also establishes the effect of the presence of CNTs on the metal current output and on the properties of the copper coating
Keywords: carbon nanotubes (CNTs), composite electrochemical coating
Медные покрытия находят широкое применение в качестве подслоя при нанесении многослойных покрытий, для улучшения пайки, а также для увеличения электропроводности. В современной гальванотехнике весьма актуально создание композиционных электрохимических покрытий (КЭП). Получение КЭП основано на том, что в электролит вводят суспензии дисперсных частиц, которые соосаждаются вместе с металлом, включаясь в покрытие с изменением его свойств.
Несмотря на большое разнообразие различных покрытий, электрохимические медные покрытия по сей день широко используются в промышленности. Однако медь легко взаимодействует с влагой, углекислым газом и различными соединениями серы,
покрываются оксидными пленками и темнеют [1]. Поэтому медные покрытия в основном используются в качестве защитных, декоративных и функциональных покрытий; для улучшения пайки; для создания электропроводящих слоев; для локальной защиты стальных деталей при цементировании, азотировании, борировании и других диффузионных процессах; для покрытия деталей глубокой вытяжки, как и в гальванике [2].
Существует большое количество электролитов для нанесения медного покрытия: серная кислота, цианид, нитрат цианида, этилендиамин, полиэтиленполиамид, цитрат, пирофосфат, аммоний и т. д. Все эти электролиты обладают высокой рассеивающей способностью и хорошей электропроводностью, а также позволяют получать высококачественные мелкокристаллические осадки [3]. В настоящее время одним из наиболее важных направлений современной гальваники является производство электрохимических композитных покрытий (КЭП).
Принцип получения КЭП заключается в совместном осаждении различных дисперсных частиц разных размеров и типов вместе с металлами из суспензий электролитов. Когда эти частицы включены в покрытия, прикладные свойства последних (твердость, износостойкость, коррозионная стойкость) улучшаются и добавляются новые качества (каталитические, скользящие и магнитные). Вот почему композиционные электрохимические покрытия находят широкое применение в приборостроении, машиностроении и в производство различного химического оборудования и медицинских инструментов [4]. Формирование покрытия происходит в несколько этапов:
- подача частиц на катод;
- удержание их на поверхности катода;
- нарастание частиц композита осажденным металлом [5].
Металлическая матрица КЭП обычно состоит из никеля, хрома, меди, железа, цинка, олова, драгоценных металлов, а также предстает в виде сплавов, которые осаждаются без воздействия внешнего тока. Характер диспергированной фазы во многом определяет эффективность использования КЭП. В виде рассеянных твердых (иногда жидких) частиц размером не более 3-5 микрометров УНТ вводятся в электролиты, но в некоторых случаях допускается наличие частиц размером до нескольких десятков нанометров. Это могут быть оксиды (А12 Оз, ТЮ2, ZrO2, БЮ2), бинарные соединения ё-элементов (Т1М, Т1Б2, ZrC, WC, СГ2С3, МоБ2), порошки металлов и неметаллов (Сг, Мо, W, Б1, графит, алмаз), соли (БаБО4, СаБ2), высокомолекулярные соединения (политетрафторэтилен, полифенилметилен и т. д.). В рассматриваемой работе одностенные углеродные нанотрубки действуют как композитная добавка (УНТ). Однослойные нанотрубки из складчатых полос плоских атомно-графитовых решеток переходят в бесшовные цилиндры. Внутренний диаметр УНТ может варьироваться от 0,4 до нескольких нанометров. Однослойный УНТ содержат меньше дефектов, чем многослойные. Трубы без дефектов можно получить после высокотемпературного отжига [7].
Цилиндрическая нанотрубка считается идеальной.
Щепеткин А. Д., Волочилов К. А., Белов П. А. Методика исследования влияния одностенных углеродных нанотрубок на процесс получения медных электрохимических покрытий
Идеализированная модель однослойной нанотрубки
Небольшой размер УНТ, возможность изменения значений электропроводности в процессе синтеза, механическая прочность и химическая стабильность позволяют использовать УНТ в качестве дисперсной фазы. Для получения медных покрытий был выбран аммиачный электролит следующего состава: CUSO4H2O - 90 г/л, (NH4) 2SO4-80 г/л, NH4NO3-4O г/л, NH4OH (25%) - 180 мл/л, pH = 8,5-9,0 [8]. Этот электролит позволяет наносить покрытие непосредственно на сталь без необходимости дополнительной обработки поверхности. Также данный процесс можно проводить без перемешивания электролита. Когда соли меди взаимодействуют с аммиаком, образуются хорошо растворимые комплексы типа Cu(NH?)n(OH)x и в растворах с рН > 8,5 медь присутствует в основном в виде сильного комплексного соединения Cu(NH3)42+. Таким образом, выбранный электролит стабилен и способен работать в течение длительного времени.
Плотность рабочего тока находится в диапазоне 3до 5,5 А/дм2, так как при низких плотностях выходная мощность металла очень мала, и по мере увеличения плотности тока выходная мощность сначала увеличивается, а затем резко падает. Нитрат аммония добавляют для получения плотного полуглянцевого осадка равномерной толщины. Это объясняется восстановлением нитрат-ионов до гидроксиламина и аммиака на выступающих частях поверхности при потенциалах, соответствующих повышенной плотности тока [8].
При изготовлении раствора электролита суспензии УНТ вводили постепенно в небольших количествах, при достижении больших концентраций в электролите происходит коагуляция частиц. При этом качество покрытия сильно ухудшилось из-за прилипания комков частиц к поверхности и их зарастания осажденной медью, что приводит к неравномерному покрытию светодиода. Стоит отметить, что перед каждым введением порции УНТ электролит был тщательно перемешан, чтобы равномерно распределить частицы по всему объему. УНТ не оказывают сильного влияния на выходную мощность меди, однако, если мы сравним две суспензии, то в электролите без добавления УНТ при низкой плотности тока добавление УНТ значительно увеличивают выход по току.
Как можно было увидеть из опыта, УНТ даже в небольших количествах влияют на структуру покрытия. Однако суспензия УНТ TUBALLTM-BATT H2O оказывает большее воздействие на покрытие и приводит к более равномерному распределению
металла по поверхностям, при этом размер зерен уменьшается. Также при добавлении УНТ на поверхности образуются конгломераты, что, в свою очередь, может быть признаком образования композитного покрытия Медь-СМ Адгезия покрытия к подложке также улучшается при добавлении УНТ: при подготовке образцов для изготовления микрофотографий покрытие не трескалось и не отслаивалось от основы, как и в случае покрытий, изготовленных из чистого электролита.
Библиографический список
1. Ажогин, Ф. Ф. и др. Гальванотехника: справочник. - Москва: Металлургия, 1987. - 736 с.
2. Беленький, М. А., Иванов, А. Ф. Электроосаждение металлических покрытий: справочник. - Москва: Металлургия, 1985. - 288 с.
3. Мельников, П. С. Справочник по гальванопокрытиям в машиностроении. -Москва: Машиностроение, 1979. - 296 с.
4. Сайфуллин, Р.С., Абдуллин, И.А. Композиционные электрохимические покрытия // Российский химический журнал. - 1999. - Т. 63. - Вып. 3-4. -С. 63-67.
5. Получение и свойства медных покрытий из цитратного электролита в присутствии ультрадисперсных алмазов / В. В. Ясельчик, И. М. Жарский, Г. К. Буркат // Известия СПбГТИ(ТУ). - 2015. - № 28. - С. 25-28.
6. Целуйкин, В.Н. Композиционные электрохимические покрытия: получение, структура, свойства // Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2009. - Т. 45. - № 3. - С. 287-301.
7. Сергеев, Г.Б. Нанохимия: учеб. пособие. - Москва: КДУ, 2007. - 336 с.
8. Дасоян М. А., Пальмская И. Я., Сахарова Е. В. Технология электрохимических покрытий. - Ленинград: Машиностроение, 1989. - 391 с.
