بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آبکاری پوشش آلیاژی نیکل - کبالت نانو ساختار با استفاده از افزودنی ساخارین
هدف از انجام این تحقیق آبکاری پوشش آلیاژی نیکل - کبالت با ساختار نانو می باشد. پوشش آلیاژی نیکل - کبالت نانو ساختار از طریق آبکاری الکتریکی با استفاده از جریان مستقیم با راندمان بالایی در حدود ۹۰ درصد با استفاده از حمام کلریدی بر روی مس ایجاد شد. درصدهای مختلف افزودنی ساخارین از ۰/۵ تا ۲ درصد به عنوان ماده افزودنی به حمام کلریدی افزوده شد و میزان بهینه افزودنی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) بررسی گرديد. نتایج نشان می دهد محلول های حاوی ۱/۵ گرم بر لیتر ساخارین اندازه دانه های کریستالی در حدود ۳۰ تا ۵۰ نانومتر ایجاد نموده اند. محاسبات انجام شده از طریق آزمون پراش اشعه ایکس (XRD) نیز این موضوع را تایید نموده است.
واژههای کلیدی: پوشش آلیاژی، پوشش نانو ساختار، آبکاری.
مقدمه
پوشش آلیاژی نیکل کبالت دارای خواصی نظیر استحکام خوب در دمای بالا است. این پوشش ها به دلیل خواص مغناطیسی مورد توجه می باشند. خواص منحصر به فردی همانند مقاومت به سایش، هدایت حرارتی و خواص فعالیت الکترو کاتالیکا بر کاربردهای این ماده به عنوان یک ماده مهندسی افزوده است [۱] خواص الکتروکاتالیک پوشش های آلیاژی نیکل کبالت موجب استفاده از آنها به عنوان یک الکتروکاتالیست کاتدی برای تسهیل واکنش تصاعد هیدروژن (HER) شده است. از خاصیت الکتروکاتالیزوری می توان در هیدرو متالورژی استفاده نمود]۲[. مواد افزودنی معمولاً به دلیل بهبود خواص محلول به طور مثال توان پرتابی راندمان جریان " استفاده می شوند و بر روی خواص پوشش مانند سختی و ظاهر نیز موثر هستند افزودن ساخارین و سدیم لوریل سولفات موجب کاهش میزان کبالت در پوشش نسبت به حالتی که حمام بدون افزودنی است می گردد ۳. ساختار افزودنی ساخارین به صورت شماتیک در شکل ۱ آورده شده است. همانطور که در شکل ۱ دیده می شود این ماده شامل پیوند های دوگانه اکسیژن است و ترکیبی حاوی گوگرد می باشد. اطلاعات کمی در مورد پوشش نانو ساختار نیکل - کبالت منتشر شده است و بررسی سایر منابع نشان می دهد که با کاهش اندازه کریستال ها تغییرات مهمی در خواص آلیاژهای نانومتری ایجاد می شود [۴. پایداری حرارتی پوشش نیکل- کبالت نسبت به پوشش نیکل بیشتر بوده و رشد کریستال ها در اثر حرارت کمتر اتفاق می افتد [۵. پوشش آلیاژی نیکل - کبالت را با ترکیب با اندازه کریستالی ۱۳ نانومتر بوسیله جریان مستقیم شده و محلول مورد استفاده شامل سولفات نیکل ، کلرید نیکل ، اسید بوریک و ساخارین و کلرید کبالت بوده است.
مواد و روش تحقیق
برای ایجاد پوشش، ابتدا نمونه هایی از جنس مس با ابعاد تا که 2*5 سانتی متر بریده شد. مس مورد استفاده در این تحقیق از نوع آلیاژی از نوع مس - بلریم انتخاب گردید. این آلیاژ مس دارای کیفیت سطحی بسیار خوب پس از آماده سازی است. و در کاربردهای الکترونیکی و الکتریکی مورد استفاده قرار می گیرد سنباده زنی با شمارهای ۲۰۰، ۴۰۰، ۶۰۰، ۸۰۰ و ۱۰۰۰ بر روی نمونه ها انجام گرفت. سپس چربی گیری در محلول قلیایی، (آب و صابون) انجام گرفت. نمونه ها پس از چربی گیری و لاک زدن در یک طرف سطح آبکاری شدند. حمام کلریدی و محدوده غلظت مواد مورد استفاده در این حمام در جدول ۱ آورده شده است. در روند ساخت تمام حمام ها، ابتدا نمک های نیکل و کبالت در بشر حل شده، سپس محلول حاصل در بالن ژوژه با حجم CC 500 با استفاده از آب مقطر به حجم رسانده شدند. سپس . با استفاده از افزودن اسید بوریک اسیدیته در مقادیر مورد نظر در این تحقیق ثابت گردید و بعد از انجام این روند آبکاری انجام شد. حجم ظرف مورد استفاده در آبکاری cc ۳۰۰ بوده است. به منظور آبکاری ظرفی از جنس پلکسی گلس مناسب با گنجایش cc ۳۰۰ طراحی و ساخته شد. بر روی این ظرف محلی برای قرار گیری دماسنج و الکترود کالومل اشباع برای اندازه گیری دما و پتانسیل در نظر گرفته شد. مواد شیمیای مورد استفاده در این تحقیق از نوع مواد شیمیایی آزمایشگاهی با خلوص بالا است. جدول ۲ خصوصیات مواد شیمیایی مورد استفاده در تحقیق حاضر و کمپانی سازنده آنها را نشان می دهد.. دانسیته جریان مورد استفاده در این تحقیق در محدوده ۱ تا ۳ آمپر بر دسیمتر مربع بوده است. این محدوده با استفاده از آزمون هال - سل بدست آمده است.از آند نیکل برای ابکاری استفاده شد. برای بررسی تاثیر ساخارین بر روی مورفولوژی پوشش ، نمونه هایی با مقادیر مختلف ساخارین آبکاری شد و به صورت میکروسکوپی و ماکروسکوپی مورد بررسی قرار گرفتند. از لحاظ ماکروسکوپی (ظاهر پوشش) با افزایش ساخارین میزان براقیت پوشش افزایش یافت. این مسئله در آزمون هال - سل نیز مشاهده شد. بررسی های میکروسکوپی که با استفاده از میکروسکوپ نوری انجام گرفت به دلیل ساختار بسیار ریز پوشش ها و نانو ساختار شدن آنها نتایج مناسبی در بر نداشت. بنابراین از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و مدل 30 XL ساخت شرکت فیلیپس و سپس از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) با ولتاژ KV ۱۰۰ ساخت شرکت فیلیپس استفاده گردید. همچنان ساختار پوشش در غلظت های مختلف ساخارین با استفاده از روش پراش اشعه ایکس (XRD) مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث
شکل ۲ تصویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از نمونه آبکاری شده بدون افزودنی ساخارین را نشان می دهد. اندازه دانه کریستال های موجود در پوشش بین ۱۰ تا ۵۰ میکرون تخمین زده می شود. همانطور که در شکل مشاهده می شود رشد کریستال ها به دو صورت با دانه های کشیده و دانه های کروی قابل مشاهده است. همانگونه که در منابع اشاره شده است، ساختار بدست آمده از حمام های سولفاماتی، وات حالت کروی و همگن دارد، اما ساختار پوشش بدست آمده از حمام های کلریدی تا حدودی خاصیت آنیزوتروپی از خود نشان می دهد دلیل این امر ممکن است در اثر ساختار بلورهای ستونی و کریستال های کروی باشد. [۷] به نظر می رسد، با توجه به تئوری نحوه رشد کریستال ها در پوشش آلیاژی نیکلکبالت در حمام های کلریدی و وات، امکان تشکیل لایه اکسیدی بر روی کریستال کمتر باشد، بنابراین ناحیه های بیشتری برای ایجاد جوانه زنی دو بعدی و ایجاد ساختار ستونی با حالت پراکنده نامنظم وجود خواهد داشت. [۷] افزودن ساخارین باعث ایجاد پوشش نانوساختار و ریز دانه می شود و با افزایش ساخارین میزان براقیت در پوشش افزایش می یابد. در مورد حمام کلریدی با میزان ساخارین کمتر از ۱ گرم بر لیتر مخلوطی از ساختار نوع (UD) با جهت گیری نامنظم و کریستال جهت دار (FT) است و اندازه کریستال ها متفاوت است. ۷ اما در درصد پایین ساخارین ساختار تا حدودی ریز دانه شده است اما هنوز به ابعاد نانومتری نرسیده است. شکل ۳ پوشش حاصل از حمام با ۱ گرم بر لیتر ساخارین را نشان می دهد. افزودن بیش از ۱ گرم برلیتر موجب ایجاد پوشش بسیار ریز دانه شده است به طوری که با استفاده از میکروسکوپ نوری و حتی میکروسکوپ الکترونی نیز نمی توان اندازه ابعاد کریستال ها در پوشش را مشخص نمود. شکل ۴ به ترتیب تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی حاصل از پوشش آبکاری شده با ۲ گرم بر لیتر ساخارین را در بزرگنمایی ۱۵۰۰۰ برابر نشان می دهند. همانطور که مشاهده می شود اندازه کریستال های موجود در پوشش را نمی توان با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشخص کرد. همانگونه که مشاهده شد بررسی های انجام شده از طریق میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی در مورد مورفولوژی کافی نبود. بنابراین نمونه هایی برای میکروسکوپ الکترونی عبوری آماده سازی گردید. همچنین بررسی های انجام شده نشان داده است که حداقل میزان ساخارین مورد نیاز برای ایجاد ساختار نانومتری، در محدوده بین ۱ تا ۲ گرم بر لیتر است. زیرا همانگونه که در شکل ۳ مشاهده گردید میزان ساخارین ۱ گرم بر لیتر برای ایجاد ساختار نانومتری کافی نبوده است، اما افزودن ۲ گرم برلیتر ساخارین در شکل ۴ ساختاری بسیار ریز دانه را ایجاد نموده است. بنابراین برای آماده سازی نمونه میکروسکوپ الکترونی عبوری از ۱/۵ گرم بر لیتر ساخارین استفاده گردید. تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری شکل های ۵ تا ۶ نحوه رشد و ابعاد کریستال های پوشش نانومتری نیکل کبالت را نشان می دهند. همانطور که در شکل ۵ نشان داده شده است در بزرگنمایی ۸۰۰۰۰ برابر ایجاد مجموعه های کریستالی با ابعاد کمتر از ۱۰۰ نانومتر قابل مشاهده است. تا این مرحله ایجاد پوشش نانو ساختار با ابعاد کریستال های کمتر از ۱۰۰ نانومتر با استفاده از ۱/۵ گرم ساخارین به اثبات رسیده است. در بزرگنمایی های بیشتر در شکل های ۷ و ۸ مشخص گردید که ذرات مشاهده شده در شکل ۶ خود شامل تعداد زیادی کریستال های ریز تر هستند. به گونه ای که در بزرگنمایی ۱۰۰۰۰۰ برابر در شکل ۷ این مجموعه های کریستالی ابعادی در حدود ۵۰ نانومتر نیز از خود نشان داده اند. شکل ۷ که در بزرگنمایی ۱۶۰۰۰۰ برابر تهیه شده است. به وضوح مجموعه های کریستالی در ابعاد ۵۰ نانومتر نشان میدهند که خود دارای کریستال های بسیار ریزی در حدود ۱۰ تا ۳۰ نانومتر هستند. همچنین رشد کریستال ها به صورت کروی است که با استفاده از این شکل کاملا قابل مشاهده است. مشاهدات انجام شده در این تحقیق با مطالب موجود در مقالات که ایجاد دانه های کروی را تاکید نموده اند، مطابقت زیادی دارد ]۷[ . به نظر میرسد که در ابتدا جوانه هایی از کریستال ها به صورت توده ای کروی تشکیل می یابد و در ادامه با پیوستن کریستال های ریز دیگر این توده های کروی رشد می کنند. اما به دلیل نقش ریز کننده ساخارین این کریستال ها فرصت لازم برای رشد را ندارند و به سرعت با کریستال های ریز جدید احاطه می شوند. علاوه براین مسئله توده های کروی نیز با هم بر خورد نموده فضا را برای رشد کریستال ها از بین می برند. در نهایت آنچه از سطح با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی قابل مشاهده است سطحی دارای نقاط بسیار ریز است به صورتی که در بزرگنمایی های قابل دستیابی با میکروسکوپ الکترونی روبشی نیز از هم قابل تشخیص نیستند. علاوه بر تاثیرات مشاهده شده ساخارین بر روی مورفولوژی پوشش ، افزودن ساخارین باعث می شود که تغییراتی در ساختار کریستالی پوشش نیز ایجاد شود. این تغییرات را می توان در نمودارهای حاصل از پراش اشعه ایکس نیز مشاهده نمود. با افزودن میزان ساخارین پیک های مربوطه حذف و تبدیل به یک پیک می شود. و حالت زنگوله ای بوجود خواهد آمد .همچنین محاسبات انجام شده از طریق نصف پهنای پیک در ماکزیمم ارتفاع ایجاد پوشش نانو ساختار را با افزودن بیش از یک گرم ساخارین تائید می کند. افزودن بیشتر ساخارین موجب حذف کامل پیک های موجود در پراش اشعه ایکس خواهد شد. پوشش های حاصل از حمام ها با درصد های مختلف ساخارین در زیر آورده شده است. همانگونه که شکل ۹ نشان می دهد در پوشش بدون افزودنی ساخارین با ۸۰ درصد وزنی نیکل ساختار پوشش به دلیل غالب بودن نیکل در ساختار مشابه با ساختار پوشش نیکل خالص است این مطلب در مرجع [۱] نیز مطرح شده است. پیک های حاصل از ساختار این پوشش شامل پیک مربوط به جهت کریستالی (۲۲۰) در بین ۷۰ و ۸۰ درجه، پیک مربوط به جهت کریستالی (۲۰۰) در ۵۰ درجه و پیک مربوط به جهت کریستالی (۱۱۱) در حدود ۴۰ درجه می باشد ۱ و ۸ . شکل ۱۰ طیف حاصل از پراش اشعه ایکس نمونه آبکاری شده با افزودن ساخارین به میزان ۱ گرم برلیتر را نشان میدهد. همانگونه که مشاهده می شود پیک مربوط به جهت کربستالی (۲۰۰) حذف شده و از شدت پیک مربوط به جهت کریستالی (۲۲۰) نیز به شدت کاسته می شود. بررسی های بیشتر با استفاده از نرم افزار مربوط به دستگاه اشعه ایکس گویای این مطلب است که در این حالت پیک حاصل از نیکل و کبالت به مقدار زیادی بر روی هم همپوشانی می کنند. و به صورت یک پیک در جهت کریستالی (۱۱۱) در زاویه بین ۴۰ و ۵۰ درجه خود را نشان می دهند. به نظر می رسد این امر در اثر ایجاد محلول جامدی از نیکل و کبالت اتفاق افتاده است. منابع موجود به حذف پیک ها و ایجاد محلول جامد نیکل و کبالت در هنگام آبکاری آلیاژی با استفاده از افزودنی ساخارین اشاره کرده اند ]۱ و ۸[ . همچنین به تشکیل محلول جامد نیکل - کبالت در حین آبکاری این پوشش نیز اشاره شده است ۹]طیف حاصل از پراش پرتو ایکس پوشش آبکاری شده نیکل - کبالت با ۱/۵ گرم بر لیتر ساخارین کاملا مشابه با طیف قبلی است. اما بررسی های انجام شده از طریق نرم افزار دستگاه همپوشانی بیشتری را برای دو عنصر نیکل کبالت نشان می دهد. به طور کلی با افزودن مقادیر بیشتر ساخارین دو اتفاق به صورت همزمان روی می دهد اول اینکه شدت پیک ها به شدت کاهش می یابد و دوم این که مکان پیک تا حدودی به سمت چپ و زوایای کمتری منتقل می شود که این مسئله به دلیل ریز شدن ساختار روی می دهد ]۱و۸ [با استفاده از رابطه براگ، اندازه کریستال های موجود در ساختار تخمین زده شد . برای محاسبه اندازه کریستال ها با استفاده از نرم افزار مربوطه فاکتور عرض پیک در نصف شدت بیشینه تصحیح شده (فاکتور عرض پیک استاندارد در نصف شدت بیشینه(FWHM) و اعداد مربوطه استخراج گردید. اطلاعات حاصله به صورت زیر و بر حسب درجه است. طول موج حاصل بر اساس منابع موجود [۱۰] ۰/۱۵ نانومتر در نظر گرفته شد و زوایای مربوطه از درجه به رادیان تبدیل گردید محاسبات زیر برای اندازه گیری ابعاد کریستال ها انجام گرفته است.
با استفاده از این رابطه ابعاد کریستال ها ۷۰ نانومتر بدست آمده است. این مقدار با ابعاد مشاهده شده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری متفاوت است. این امر می تواند به دلیل خطاهای موجود در محاسبات با استفاده از این روش و ساده شدن ترم های مربوط به تنش بین کریستالی در رابطه شرایر است. شکل (۱۱) طیف حاصل از پراش پرتو ایکس نمونه آبکاری شده با ۲ گرم بر لیتر ساخارین را تا زاویه ، ۷۰ درجه نشان می دهد. همانطور که مشاهده می شود، با افزایش میزان ساخارین به میزان ۲ گرم برلیتر پیک های مربوط به پوشش به طور کامل حذف شده اند. این طیف مشابه با طیف حاصل از مواد آمورف است. پوشش های آمورف نیز بوسیله روش های الکتروشیمیایی قابل تولید هستند. از میان این آلیاژ ها می توان به دو آلیاژ تا با ترکیب شیمیایی و آلیاژ تا با ترکیب شیمیایی اشاره نمود [۹، اما همانگونه که بررسی های میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده است.(شکل های ۱۱ و ۱۲) ساختار این پوشش آمورف نیست بلکه حاوی کریستال های بسیار ریز است و هدف ما نیز تولید پوشش آمورف نبوده است. به نظر می رسد علت ایجاد این طیف در اثر کاهش شدید شدت پیک های مربوط به ساختار کریستالی است به گونه ای که شدت این پیک ها از طیف زمینه قابل تفکیک نیست و نرم افزار دستگاه به دلیل شدت پایین این پیک ها قادر به تفکیک آنها نمی باشد. همانگونه که از پیک های بدست آمده از آزمون اشعه ایکس انتظار می رود با افزایش میزان ساخارین ابتدا تمام پیک ها موجود در پوشش نیکل - کبالت به یک پیک اصلی تبدبل شدند و با افزایش میزان افزودنی پیک ها به طور کامل حذف شدند که این نشان دهنده تأثیر ریز کنندگی ساخارین است. همچنین بدلیل درصد زیاد نیکل در ساختار پیک های حاصل از پوشش آلیاژی نیکل کبالت از لحاظ شبکه ای تطابق بیشتری را نسبت به پیک های حاصل از نیکل نشان می دهد. که غالب بودن نیکل در پوشش را نشان می دهد.
