Wstępne opracowanie warunków osadzania warstw

Wstępne opracowanie warunków osadzania warstw
nanokompozytowych Ni-P/Al2O3
Milena Zawadowska
Kierujący pracą:
prof. nzw. dr hab. inż. Jerzy Bieliński
Wprowadzenie
W celu polepszenia właściwości mechanicznych stopów aluminium stosuje się
wzmocnienie poprzez dodatek włókna węglowego. Elementem determinującym zastosowanie
kompozytu jest wytworzenie powłoki pośredniej na włóknach, która łączyłaby w sobie cechy
materiału dobrze zwilżanego przez aluminium, nie wchodzącego w reakcję z osnową
metaliczną, jak również rozpuszczającego się na tyle wolno, by nie dochodziło do kontaktu
włókno - aluminium. Początkowo prowadzono doświadczenia nad odpowiednim
przygotowaniem folii poliestrowej PET do metalizacji oraz nad wpływem dodatków
(zwilżacza CTAB – bromku cetylotrimetyloamoniowego i stabilizatora TM - tiomocznika)
na osadzanie bezprądowe Ni-P. Folię poliestrową trawiono w roztworze alkalicznym
(KOH w izopropanolu) i kwaśnym (K2Cr2O7 w H2SO4stęż.), a następnie metalizowano podłoże
dla sprawdzenia adhezji. Kolejnym etapem było osadzanie kompozytu po wprowadzeniu
dodatku tlenku glinu dwóch typów (A-16 i ACN) do roztworu bezprądowego niklowania. Dla
zmniejszenia zaglomerowania proszku tlenku glinu zastosowano dezintegrator
ultradźwiękowy. Zbadano jak zmiana temperatury, pH i czasu osadzania wpływa na szybkość
osadzania, skład warstwy oraz grubość warstwy. Podsumowaniem badań były obserwacje
obrazów SEM, które pozwoliły na określenie morfologii powierzchni oraz sprawdzenie, na ile
przygotowanie zawiesiny poprzez działanie ultradźwiękami, wpłynęło na rozbicie
aglomeratów proszku.
Wyniki i dyskusja
W celu określenia najkorzystniejszej metody zmniejszenia hydrofobowości poliestru
zastosowano trawienie alkaliczne (KOH w izopropanolu) i trawienia kwaśne
w (K2Cr2O7 w H2SO4steż.). Jakość wytrawienia określana była wstępnie poprzez ocenę
wizualną, następnie poprzez nanoszenie powłok, na tak wytrawione podłoża.
Warstwy stopowe Ni-P i kompozytowe Ni-P/Al2O3 osadzane z roztworów glicynowych
charakteryzowały się zmienną grubością, a co z tym zawiązane różną szybkością osadzania,
zależnie od zastosowanych dodatków (tiomocznik, CTAB) oraz warunków prowadzenia
procesu. Bez stabilizatora i związku zwilżającego otrzymywano powłoki o bardzo małej
grubości ok. 5µm - jak na potrzeby doświadczenia. Przy niższym pH grubość warstwy była
większa ale stosunkowo mała (ok. 10µm) w porównaniu z osadzaniem w środowisku bardziej
alkalicznym z dodatkami, kiedy uzyskiwano grubości ok. 16µm. Zawartość fosforu
w warstwie stopowej utrzymywała się na poziomie ok. 4%, podczas gdy dla warstw
kompozytowych zawartość malała do 1,8%. Zawartość tlenku glinu była największa
dla powłok osadzanych z zawiesin o najmniejszej zawartości tlenku glinu (ok.10%).
Dla większych zawartości tlenku glinu w zawiesinie dochodziło do mechanicznego
odrywania ziaren z podłoża. Osadzanie w wyższej temperaturze dawało wyższe wyniki
szybkości co związane jest z kinetycznymi ograniczeniami procesu.
Wnioski
Zastosowana metoda silnego trawienia alkalicznego dla folii PET nie była przydatna
dla metalizacji w roztworze glicynowym. Natomiast utleniające trawienie kwaśne daje
jednolicie wytrawioną powierzchnie. Odpowiednim czasem trawienia w roztworze kwaśnym
w 80°C jest 1 minuta, otrzymuje się wówczas powierzchnie jednorodnie wytrawione przy
małym ubytku masy folii.
W badanym roztworze glicynowym do osadzania Ni-P, dodatek zwilżającego związku
powierzchniowo-czynnego (CTAB) oraz stabilizatora (TM) – w odpowiednim stężeniu (0,01
mM) – powoduje wzrost szybkości osadzania, jednak przy dużych stężeniach stabilizatora
(0,02 mM dla folii PET) może dojść do spowolnienia osadzania bezprądowego, a nawet
zahamowania procesu poprzez zainhibitowanie katalizatora.
Rozwiązaniem problemu zainhibitowania katalizatora jest dodatkowa preredukcja
w roztworze podfosforynu sodu, poprzedzająca proces osadzania bezprądowego Ni-P.
W badanym roztworze glicynowym szybkość osadzania jest większa dla pH=8,5, niż
pH=7,5 (o ok.25%); z kolei zwiększenie temperatury z 60°C do 70°C zwiększa szybkość
osadzania prawie 2 razy. Ze wzrostem temperatury zwiększała się zawartość P.
Głównym parametrem do sterowania grubością powłok Ni-P i kompozytowych jest czas
osadzania, w badanym zakresie zmian grubość wzrastała prawie proporcjonalnie do czasu
metalizacji.
Dodatek tlenku glinu do roztworu do osadzania Ni-P powoduje zmniejszenie stabilności
układu oraz szybkości osadzania Ni w kompozycie Ni-P/Al2O3. Otrzymane warstwy
kompozytowe zawierały o połowę mniej fosforu (ok. 2%).
Wstępne obserwacje morfologii powłok (mikroskopia SEM) wskazują na konieczność
dalszej deaglomeracji nano-proszku tlenku glinu.
Metodyka osadzania zastosowana dla płaskiej powierzchni folii PET z powodzeniem
sprawdza się w osadzaniu warstw kompozytowych na włóknie węglowym.
Literatura
[1] A.Boczkowska,
J.Kapuścinski,
Z.Lindemann,
D
Wirtemberg-Perzyk.,
S.Wojciechowski, Kompozyty, Ofic.Wyd.Pol.Warszawskiej, Warszawa 2003.
[2] Chung DDL, Carbon Fiber Composites, s.125-144, Butterworth-Heineman, Boston
1994, Chapter 7: Metal matrix composites.
[3] Broda A., Badania procesu bezprądowego osadzania Ni-P na włókninie węglowej,
Praca dyplomowa, Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
[4] J.Bieliński, A.Broda, A.Bielińska, A.Boczkowska, Kompozyty – Composites, 8(4),
332-337 (2008), Bezprądowa metalizacja włókien węglowych dla wytwarzania
kompozytów MMC.
[5] A.Broda, R.Kozera, A.Boczkowska, K.J.Kurzydłowski, J.Bieliński, A.Bielińska,
A.Strzała, Ochrona przed korozją, 52(11), 476-478 (2009), Bezprądowe niklowanie
włókien węglowych – stabilizatory roztworów.
[6] J. Bieliński, A. Broda, R. Kozera, A Bielińska, A. Boczkowska, K.J. Kurzydłowski;
Kompozyty 10: 3 (2010) 206-212; Rola parametrów bezprądowej metalizacji
w procesie wytwarzania pre-kompozytu Ni-P / włókna węglowe.
[7] J.N.Balaraju, S.Narajanan, S.K Seshadri., J.Appl.Electrochem., 33, 807 (3003);
Electroless Ni-P composite coatings.