Соноелектрохимично отлагане на покрития с подобрени свойства чрез нанодобавки
Соноелектрохимичното отлагане съчетава ултразвук с висок интензитет с галванично нанасяне, за да се получат плътни, добре прилепващи покрития с подобрени свойства чрез нанодобавки и с контролирана микроструктура. Интензивното ултразвуково разбъркване и микропотоците непрекъснато обновяват дифузионния слой и почистват/активират електродната повърхност; в резултат транспортът на йони и скоростта на зародишообразуване се увеличават, зърната се уфиняват, порьозността намалява и покриването на сложни геометрични форми се подобрява. Също толкова важно е, че ултразвуковата обработка със сонда диспергира и деагломерира нанодобавките (карбиди, оксиди, производни на графена и други), като позволява възпроизводимо съвместно отлагане на нанокомпозити с метална матрица с превъзходна твърдост, устойчивост на износване и корозия и бариерни свойства.
Как ултразвуковата обработка подобрява електрохимичното отлагане?
Ултразвуковите устройства със сонда на Hielscher осигуряват висока плътност на акустичната енергия директно в електролита – докато прецизното управление на амплитудата и коефициента на запълване на работния цикъл, възможностите за проточни реактори и здравите сонотроди поддържат стабилен химичен състав на ваната и мащабиране от настолни изпитвания до непрекъснати промишлени линии. Процесът на соноелектрохимично отлагане осигурява по-бърз масопренос без компромис с равномерността, по-чисти междуфазни граници без агресивни химични средства и фино диспергирани нанофази без утаяване или срязване в дюзите.
Ултразвуковата сонда функционира като електрод. Ултразвуковите вълни стимулират електрохимичните реакции, което води до подобрена ефективност, по-високи добиви и по-бързи скорости на превръщане.
Соноелектрохимията значително подобрява процесите на електроотлагане.
Практически насоки за прилагане на соноелектрохимично отлагане
Всички ултразвукови устройства на Hielscher позволяват прецизно управление на амплитудата и съответно на динамиката на кавитацията и интензитета на микропотоците.
Диспергирайте наночастиците – например Al₂O₃ или въглеродни нанопълнители – чрез ултразвук в електролита преди и по време на отлагането. Непрекъснатото ултразвуково разбъркване предотвратява агломерацията в електролитната система и води до по-плътни и по-равномерни покрития.
Съставът на електролитната вана, количеството наночастици и температурата са допълнителни параметри, които влияят върху процеса на соноелектрохимично отлагане.
Електрохимичната импедансна спектроскопия (EIS) и потенциодинамичната поляризация (PDP) са допълващи се стандартни методи за количествено определяне на корозията и характеристиките на покритията. Използвайте EIS с модел с две времеконстанти (покритие + пренос на заряд), за да определите Rcoat и Rct, и потвърдете резултатите чрез PDP/Tafel. Следете за увеличаване на Rp, изчезване на характеристиките на Варбург при ниска честота и по-ниски оценки на порьозността; това са надеждни показатели за компактността, постигната чрез ултразвук.
Прекомерният интензитет на ултразвуковата обработка може да увеличи грапавостта на повърхността, да задържи газ в покритието и да затрудни съвместното отлагане или плътното подреждане на полимера.
Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на покрития от (a) PPy и (b) соноелектрохимично отложен полипирол (PPy-US) върху стомана St-12 (увеличение 7500×)
(изследване и изображения: © Ashassi-Sorkhabi и Bagheri, 2014)
Високопроизводителни ултразвукови устройства за интензифициране на електрохимичното отлагане
Високопроизводителните ултразвукови устройства със сонда интензифицират електрохимичното отлагане, като осигуряват висока плътност на акустичната енергия точно там, където е необходима: в междината между електродите. За разлика от ваните, ултразвуковите сонди предават ултразвуковата мощност директно в електролита, като създават интензивна кавитация, изтъняват дифузионния слой на Нернст и поддържат бърз и стабилен масопренос дори при висока плътност на тока. Точното управление на амплитудата поддържа постоянно акустично поле под товар – което е от решаващо значение за възпроизводимите скорости на зародишообразуване, уфиняването на зърната и равномерната дебелина върху сложни геометрични форми. Също толкова важно е, че интензивните микропотоци диспергират и деагломерират нанодобавките in situ, като позволяват стабилно съвместно отлагане на нанокомпозити с метална матрица без утаяване или увреждане, причинено от срязване. Промишлените ултразвукови устройства, сонотродите и проточните реактори на Hielscher осигуряват непрекъсната работа, прецизно управление на времето на престой и безпроблемно интегриране с филтрация, управление на температурата и аналитични измервания в технологичната линия.
Със соноелектрохимичните системи на Hielscher получавате по-високи скорости на отлагане без компромис с морфологията, по-малко дефекти, причинени от газ, превъзходна адхезия и покрития с повишена твърдост и устойчивост на износване и корозия – всичко това е осигурено. Всичко това с възможностите за мащабиране и стабилността на процеса, с които са известни ултразвуковите системи на Hielscher.
Сондите на ултразвуковите процесори UIP2000hdT (2000 вата, 20kHz) действат като електроди за соноелектроотлагането на наночастици
Проектиране, производство и консултиране – качество, произведено в Германия
Ултразвуковите устройства на Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови устройства в промишлени съоръжения. Ултразвуковите устройства на Hielscher се справят лесно с тежки условия и взискателни работни среди.
Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови устройства, които се отличават с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите устройства на Hielscher съответстват на CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.
Литература / Източници
- Habib Ashassi-Sorkhabi, Jafar Mostafaei, Amir Kazempour, Elnaz Asghari (2022): Ultrasonic-assisted deposition of Ni-P-Al2O3 coating for practical protection of mild steel: Influence of ultrasound frequency on the corrosion behavior of the coating. Chemical Revision Letters 5, 2022. 127-132.
- Habib Ashassi-Sorkhabi, Robabeh Bagheri, Babak Rezaei-moghadam (2014): Sonoelectrochemical Synthesis of PPy-MWCNTs-Chitosan Nanocomposite Coatings: Characterization and Corrosion Behavior. Journal of Materials Engineering and Performance 2014.
- McKenzie, Katy J.; Marken, Frank (2001): Direct electrochemistry of nanoparticulate Fe2O3 in aqueous solution and adsorbed onto tin-doped indium oxide. Pure and Applied Chemistry, Vol. 73, No. 12, 2001. 1885-1894.
- Maho, A., Detriche, S., Fonder, G., Delhalle, J. and Mekhalif, Z. (2014): Electrochemical Co‐Deposition of Phosphonate‐Modified Carbon Nanotubes and Tantalum on Nitinol. Chemelectrochem 1, 2014. 896-902.
- Yurdal, K.; Karahan, İ. H. (2017): A Cyclic Voltammetry Study on Electrodeposition of Cu-Zn Alloy Films: Effect of Ultrasonication Time. Acta Physica Polonica A, Vol. 132, Issue 3-II, 2017. 1087-1090.
Често задавани въпроси
Какво представлява електрохимичното отлагане?
Безтоковото отлагане – наричано също автокаталитично (химично) нанасяне на покрития – представлява образуване на метално покритие или покритие от сплав без външен ток чрез хетерогенна химична редукция на метални йони от разтворен редуктор върху каталитична повърхност. След образуването на зародиши нарастващият слой катализира по-нататъшната редукция, така че отлагането протича равномерно върху сложни геометрични форми и – дори след каталитично активиране (например Pd/Sn) – върху непроводими подложки. Ваните съдържат метална сол, редуктор (например хипофосфит, борохидрид или DMAB), комплексообразуватели, буфери, повърхностноактивни вещества и стабилизатори; скоростта и съставът се определят от температурата, pH и хидродинамиката.
Какво представлява безтоковото отлагане?
Безтоковото отлагане – наричано също автокаталитично или химично нанасяне на покрития – е процес на нанасяне на метално покритие (или покритие от сплав), който протича без външен електрически ток. Вместо това разтворен редуктор във ваната химически редуцира металните йони върху каталитична повърхност, така че самият нарастващ слой поддържа реакцията (автокатализа). Тъй като няма разпределение на тока, дебелината е много равномерна дори върху сложни геометрични форми и във вътрешността на вдлъбнатини, а – след кратка стъпка на повърхностно активиране (например Pd/Sn) – могат да се нанасят покрития и върху непроводими подложки.
Какво представлява дифузионният слой на Нернст?
Дифузионният слой на Нернст е хипотетичен неподвижен слой, прилежащ към електродна повърхност, в който масопреносът се осъществява предимно чрез дифузия. Това е понятие, използвано в електрохимията за описване на концентрационния градиент на химичен вид в близост до електрод по време на електрохимична реакция.
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.