Соноэлектрохимическое осаждение покрытий с улучшенными свойствами благодаря нанодобавкам
Соноэлектрохимическое осаждение сочетает высокоинтенсивный ультразвук с гальваническим нанесением покрытий для получения плотных, прочно сцепленных с подложкой покрытий с улучшенными свойствами благодаря нанодобавкам и контролируемой микроструктурой. Интенсивное ультразвуковое перемешивание и микропотоки непрерывно обновляют диффузионный слой и очищают/активируют поверхность электрода; в результате ускоряются перенос ионов и образование зародышей, измельчаются зёрна, снижается пористость и улучшается покрытие поверхностей сложной геометрии. Не менее важно, что обработка ультразвуком с помощью зонда диспергирует и деагломерирует нанодобавки (карбиды, оксиды, производные графена и другие), обеспечивая воспроизводимое совместное осаждение нанокомпозитов с металлической матрицей, обладающих превосходной твёрдостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью и барьерными свойствами.
Как обработка ультразвуком улучшает электрохимическое осаждение?
Зондовые ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают высокую плотность акустической энергии непосредственно в электролите – при этом точное управление амплитудой и коэффициентом заполнения рабочего цикла, варианты проточных реакторов и прочные сонотроды поддерживают стабильный химический состав ванны и масштабирование от испытаний на настольном оборудовании до непрерывных промышленных линий. Процесс соноэлектрохимического осаждения обеспечивает более быстрый массоперенос без потери равномерности, более чистые межфазные границы без агрессивных химических составов и тонкодисперсные нанофазы без оседания или сдвига в сопле.
Ультразвуковой зонд выполняет функцию электрода. Ультразвуковые волны способствуют электрохимическим реакциям, повышая эффективность, выход и скорость превращения.
Соноэлектрохимия значительно улучшает процессы электроосаждения.
Практические рекомендации по внедрению соноэлектрохимического осаждения
Все ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют точно управлять амплитудой и, следовательно, динамикой кавитации и интенсивностью микропотоков.
Диспергируйте наночастицы – например, Al₂O₃ или углеродные нанонаполнители – в электролите с помощью ультразвука до и во время осаждения. Непрерывное ультразвуковое перемешивание предотвращает агломерацию в электролитической системе и позволяет получать более плотные и равномерные покрытия.
Состав электролитической ванны, количество наночастиц и температура – дополнительные параметры, влияющие на процесс соноэлектрохимического осаждения.
Электрохимическая импедансная спектроскопия (EIS) и потенциодинамическая поляризация (PDP) – взаимодополняющие стандартные методы количественной оценки коррозии и эксплуатационных характеристик покрытий. Используйте EIS с моделью с двумя постоянными времени (покрытие + перенос заряда) для определения Rcoat и Rct и подтверждайте результаты методом PDP/анализа Тафеля. Обращайте внимание на увеличение Rp, исчезновение признаков импеданса Варбурга на низких частотах и снижение оценочной пористости; это надёжные признаки уплотнения, обеспечиваемого ультразвуком.
Чрезмерная интенсивность обработки ультразвуком может увеличивать шероховатость поверхности, приводить к захвату газа и затруднять совместное осаждение или упаковку полимера.
СЭМ-изображения покрытий (a) PPy и (b) полипиррола, осаждённого соноэлектрохимическим методом (PPy-US), на стали St-12 (увеличение 7500×)
(исследование и изображения: © Ashassi-Sorkhabi и Bagheri, 2014)
Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для интенсификации электрохимического осаждения
Высокопроизводительные зондовые ультразвуковые аппараты интенсифицируют электрохимическое осаждение, обеспечивая высокую плотность акустической энергии именно там, где она необходима: в межэлектродном промежутке. В отличие от ультразвуковых ванн, ультразвуковые зонды передают ультразвуковую мощность непосредственно в электролит, создавая интенсивную кавитацию, уменьшая толщину диффузионного слоя Нернста и поддерживая быстрый, устойчивый массоперенос даже при высоких плотностях тока. Точное управление амплитудой поддерживает постоянное акустическое поле под нагрузкой – это критически важно для воспроизводимой скорости образования зародышей, измельчения зёрен и равномерной толщины на поверхностях сложной геометрии. Не менее важно, что интенсивные микропотоки диспергируют и деагломерируют нанодобавки in situ, обеспечивая стабильное совместное осаждение нанокомпозитов с металлической матрицей без оседания или повреждений, вызванных сдвигом. Промышленные ультразвуковые аппараты, сонотроды и проточные реакторы Hielscher обеспечивают непрерывную работу, точное управление временем пребывания и беспроблемную интеграцию с фильтрацией, регулированием температуры и поточной аналитикой.
С соноэлектрохимическими установками Hielscher вы получаете более высокую скорость осаждения без ухудшения морфологии, меньше дефектов, вызванных газом, превосходную адгезию и покрытия с повышенной твёрдостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью – с обеспечением всех этих результатов. Всё это сопровождается масштабируемостью и стабильностью процесса, которыми известны ультразвуковые системы Hielscher.
Зонды ультразвуковых процессоров UIP2000hdT (2000 ватт, 20kHz) служат электродами для соноэлектроосаждения наночастиц
Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии
Ультразвуковые аппараты Hielscher широко известны высочайшим качеством и стандартами проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями и требовательными рабочими средами.
Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся передовыми технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и удовлетворяют требованиям UL, CSA и RoHs.
Литература / Ссылки
- 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.
Часто задаваемые вопросы
Что такое электрохимическое осаждение?
Химическое осаждение без внешнего тока – также называемое автокаталитическим (химическим) нанесением покрытий – представляет собой образование металлического покрытия или покрытия из сплава без внешнего тока посредством гетерогенного химического восстановления ионов металла растворённым восстановителем на каталитической поверхности. После образования зародышей растущая плёнка катализирует дальнейшее восстановление, поэтому осаждение равномерно протекает на поверхностях сложной геометрии и – даже после каталитической активации (например, Pd/Sn) – на непроводящих подложках. Ванны содержат соль металла, восстановитель (например, гипофосфит, борогидрид или DMAB), комплексообразователи, буферные вещества, поверхностно-активные вещества и стабилизаторы; скорость и состав определяются температурой, pH и гидродинамикой.
Что такое химическое осаждение без внешнего тока?
Химическое осаждение без внешнего тока – также называемое автокаталитическим или химическим нанесением покрытий – представляет собой процесс нанесения металлического покрытия (или покрытия из сплава), который протекает без внешнего электрического тока. Вместо этого растворённый в ванне восстановитель химически восстанавливает ионы металла на каталитической поверхности, так что растущая плёнка сама поддерживает реакцию (автокатализ). Поскольку распределение тока не участвует в процессе, толщина покрытия отличается высокой равномерностью даже на поверхностях сложной геометрии и внутри углублений, а – после краткого этапа активации поверхности (например, Pd/Sn) – покрытие можно наносить и на непроводящие подложки.
Что такое диффузионный слой Нернста?
Диффузионный слой Нернста – гипотетический неподвижный слой, прилегающий к поверхности электрода, в котором массоперенос происходит преимущественно за счёт диффузии. Это понятие используется в электрохимии для описания градиента концентрации химического компонента вблизи электрода во время электрохимической реакции.
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.