CC BY
184
УДК 621.762:669.2
ОСОБЕННОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ МЕДНЫХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ В НИХ НАНОФРАКЦИЙ
А.А. Внуков, научн. сотр., Е.И. Демченко, ассистент,
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск
Аннотация. Рассмотрена возможность получения медного электролитического порошка с размером частиц менее 10 мкм, с высоким содержанием в нем частиц наноразмеров. С этой целью исследовано влияние концентрации основных компонентов сернокислого электролита и функциональных добавок на размер и морфологию частиц медного электролитического порошка.
Ключевые слова: электролиз, медный порошок, нанофракция, морфология частиц, дисперсность, желатин, полиэтиленгликоль.
ОСОБЛИВОСТ1 ОДЕРЖАННЯ М1ДНИХ ЕЛЕКТРОЛ1ТИЧНИХ ПОРОШК1В З П1ДВИЩЕНИМ ВМ1СТОМ У НИХ НАНОФРАКЦ1Й
О.О. Внуков, наук. сшвр., C.I. Демченко, асистент,
Нацюнальна металургшна академiя УкраТни, м. Дншропетровськ
Анотаця. Розглянуто можлив1сть одержання м1дного електролтичного порошку з розм1ром частинок менше 10 мкм, з високим вмгстом у ньому часток нанорозм!р!в. З цгею метою було досл1джено вплив концентрацп основних компонент1в арчанокислого електролту i функцюнальних добавок нарозмiр i морфологт частинок мiдного електролтичного порошку.
Ключов1 слова: електролiз, мiдний порошок, нанофракщя, морфологiя часток, дисперстсть, желатин, полiетиленглiколь.
PECULIARITIES OF ELECTROLYTIC COPPER POWDERS WITH HIGHER
CONTENT OF NANOFRACTION
A. Vnukov, research worker, I. Demchenko, assistant,
The National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk
Abstract. The paper considers the possibility of electrolytic copper powder with particles size less than 10 microns, with a high content of nanoscale particles. For this aim, the influence of the concentration of main components of sulfate electrolyte and additives on the size and morphology of electrolytic copper powder was investigated.
Key words: electrolysis, copper powder, nanofraction, particle morphology, dispersion, gelatin, polyethylene glycol.
Введение
Медь является одним из широко применяемых в технике металлов. Поэтому задача повышения механических и эксплуатационных свойств материалов на основе меди является важной задачей. Наиболее перспективным направлением улучшения свойств таких ма-
териалов следует признать применение медных нанопорошков.
Широкое применение нанопорошков меди для создания функциональных материалов является актуальной задачей в настоящее время. В частности, ведутся работы по созданию теплопроводящих паст для кулеров
компьютеров. Известно, что малые добавки медных нанопорошков улучшают качество порошковых сталей и шинных резин. Нанопорошки меди могут улучшить процесс спекания в порошковой металлургии; они способны поддерживать высокую и стабильную проводимость и могут быть использованы для миниатюризации деталей в технике связи и электронике; в химической промышленности могут выступать в качестве катализаторов реакций, обеспечивать электропроводность и улучшать механические свойства полимеров и т.д.
Для производства нанопорошков меди в настоящее время используют различные новые методы. В частности, метод электрического взрыва проводника (ЭВП), технология испарения-конденсации, золь-метод и т.д. Однако ведутся разработки по усовершенствованию традиционных методов получения металлических порошков, таких как химическое восстановление и электролитическое осаждение.
Электролитический метод более дорог, чем восстановление, однако позволяет получать химически чистые порошки меди, которые имеют уникальные, стабильные свойства (дендритная форма, плотная текстура частиц). Основным преимуществом данного метода является возможность регулирования свойств порошка путем варьирования параметров электролитического осаждения и состава электролита [1]. Это позволяет влиять на структуру, размер, форму и химический состав порошков. В частности, введение в состав электролита химически-активных соединений (комплексообразователей и поверхностно-активных веществ) позволяет получать более стабильные порошки с повышенными технологическими свойствами и требуемым размером частиц [2].
Недостатком электролитических медных порошков, полученных по традиционно известным режимам электролиза, является достаточно большой размер частиц (50-200 мкм), тогда как современные технологии требуют
получения микропорошков (размером до 10 мкм) и нанопорошков.
Цели и постановка задачи
Целью настоящей работы является разработка параметров процесса получения ультратонких медных электролитических порошков с размером частиц до 10 мкм с повышенным содержанием в них частиц нанофракций.
Для достижения поставленной цели в работе авторами предложен оптимизированный режим проведения процесса электролиза, с учетом значительного влияния на размер частиц медного осадка концентрации основных компонентов сульфатного электролита. Кроме того, для уменьшения среднего размера частиц порошка в электролит вводили функциональные добавки, а именно желатин и по-лиэтиленгликоль (ПЭГ). Выбор добавок обусловлен их свойством повышать дисперсность медного осадка в процессе электролиза.
Методика исследований
Процесс электролитического осаждения вели с использованием медного растворимого анода и медного катода по следующему режиму:
- плотность тока - 14-16 А/дм2;
- температура электролита - 45-50 °С;
- форма катода - пластина;
- время электролиза - 1 час.
Для осаждения дисперсной меди использовали сульфатные электролиты, составы которых приведены в табл. 1.
Выбор достаточно низкой концентрации медного купороса в электролите сделан на основе ранее проведенных исследований [3], показавших, что именно данная его концентрация обеспечивает повышение дисперсности медного осадка.
Таблица 1 Состав электролитов
№ состава Содержание компонентов, г/л
H2SO4 С^04 желатин ПЭГ
1 130 10 - -
2 130 10 — 1,0
3 130 10 5,0 -
промывали, подвергали стабилизации для предотвращения окисления поверхности частиц порошка, после чего сушили и подвергали размолу.
Размер, форму частиц порошка и морфологию поверхности определяли с помощью растрового электронного микроскопа 18М - 35 фирмы ШОЬ (Япония).
Результаты и их обсуждение
Свойства полученных медных порошков и составы электролитов представлены в табл. 2.
Таблица 2 Свойства полученных медных порошков
№ состава Средний размер частиц, мкм Содержание нанофракций, % Теку- честь
1 3-5 3-5 не течет
2 1-2 25-30 не течет
3 0,9-1 50-55 течет б
Исследованиями установлено, что наиболее эффективной функциональной добавкой, с точки зрения уменьшения размеров частиц порошка, является желатин. При добавлении желатина в электролит количество частиц наноразмеров значительно увеличивается, а также средний размер частиц смещается в нанообласть. Это связано с тем, что желатин относится к группе добавок, которые воздействуют на скорость диффузии разряжающихся ионов; при этом происходит диспергирование частиц порошка и возрастает его ден-дритность. Действие добавки ПЭГ аналогично, однако эффект увеличения дисперсности частиц порошка в этом случае значительно меньше.
Следует отметить также, что при данных концентрациях основных элементов электролита добавка желатина приводит к сглаживанию ветвей дендритов. Такая глобулярная форма дендритов позволила после размола получить порошок, обладающий текучестью (рис. 1).
Рис. 1. Общий вид частиц медного порошка, х1600: а - без добавок; б - добавка желатина; в - добавка ПЭГ
Выводы
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
а
в
1. Путем оптимизации состава электролита получены порошки меди, содержащие значительное количество частиц наноразмеров.
2. Наибольший эффект повышения дисперсности частиц достигнут при введении в электролит желатина.
3. Полученный порошок во всех рассмотренных случаях в значительной степени окислен, о чем свидетельствует его темный цвет. В связи с этим можно рекомендовать использование одновременно двух добавок, одна из которых обладает ингибирующим действием (например, желатин и бензотриазол). Это позволит получать химически стабильные нанопорошки меди.
Литература
1. Номберг М.И. Производство медного порошка электролитическим способом /
М.И. Номберг. - М. : Металлургия, 1971. - 134 с.
2. Внуков А.А. Влияние режима электролиза
и функциональных добавок в электролит на свойства и морфологию поверхности частиц медных электролитических порошков / А.А. Внуков, Е.Э. Чи-гиринец, И.Г. Рослик // Сб. тр. научно-технической конференции «МЭФ-2009». - Харьков, 2009. - С. 15-20.
3. Внуков А.А. Оптимизация состава электролита для получения медних порошков / А.А. Внуков, И.Г. Рослик, В. Кабацкая // XXXIV Miedzynarodowa stu-dencka sesja naukowa. - Czestochowa, 20 maja 2010. - S. 56-70.
Рецензент: В.Ю. Батыгин, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 2 августа
2010 г.
