بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله رسوبدهی الکتریکی پوشش آلومینیوم خالص بر سطح فولاد CK45 در دمای اتاق از ترکیب مایع یونی -1اتیل--3متیل امیدازولیوم بروماید با آلومینیوم کلراید مورد بررسی قرار گرفت. رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم در دانسیته جریانهای متفاوت بر سطح زیرلایه با استفاده از مایع یونی مدنظر به مدت زمان 90 دقیقه انجام شد و رفتار الکتروشیمیایی پوششها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داده است که رسوبدهی آلومینیوم در تمامی دانسیته جریانها به طور موفقیت آمیز انجام میپذیرد. سطح کاتد با استفاده از آنالیزهای XRD و OM مورد بررسی قرار گرفت و نشان داده شد که دانسیته جریان 15 میلی آمپر بر سانتی متر مربع، دانسیته جریان بهینه برای رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم بر سطح فولاد میباشد. نتایج آزمایشات الکتروشیمیایی مشخص کردند که پوششهای آلومینیوم سبب بهبود چشمگیری در مقاومت به خوردگی زیرلایه میشوند.
کلمات کلیدی: آلومینیوم، مایعات یونی, رسوبدهی الکتریکی، مقاومت به خوردگی
.1مقدمه
آلومینیوم به عنوان فراوانترین عنصر فلزی در پوستهی زمین و دارا بودن مزایایی همچون دانسیته کم، رسانایی عالی الکتریکی و حرارتی و مقاومت به خوردگی عالی، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است.[1] پوششهای مقاوم به خوردگی آلومینیوم به دلیل خواص شیمی فیزیک عالی و زینتی، به طور گسترده در صنایع گوناگون همانند حملونقل، ساختوساز، کاربردهای عمومی مهندسی[2] و آند باتریهای آلومینیوم/هواٌبه دلیل ولتاژ و دانسیته انرژی بالا[3] مورد استفاده قرار گرفته است.چندین روش قابل کاربرد برای پوششدهی آلومینیوم همچون غوطهوری داغٍ، اسپریَ، رسوبدهی فیزیکی بخارُ و رسوبدهی شیمیایی بخارِوجود دارد.
با این حال هرکدام از آنها دارای معایبی هستند. دمای بالا ممکن است سبب مشکلاتی همچون تنش حرارتی در مواد پوشش یا زیرلایه شود و تشکیل ترکیبات بین فلزی در فصل مشترک فلز و زیرلایه را افزایش دهد. فرآیندهای رسوبدهی فیزیکی و شیمیایی فاز بخار اگرچه دستیابی به فیلمهای نازک رسوب را ارائه میدهند اما آنها نسبتاً گران هستند4]و.[5 یکیدیگر از روشهای پرکاربرد برای تولید پوششهای آلومینیوم رسوبدهی الکتریکیّمیباشد. رسوبدهی الکتریکی دارای ویژگیهای مناسبی همانند مصرف انرژی پایین، بازدهی واکنش بالا، شرایط آزمایشگاهی متوسط و کنترل آسان ساختار رسوب آلومینیوم میباشد6]و.[7رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم به مدت زمان طولانی به منظور استخراج آن به وسیلهی فرآیند هال-هرولتْ مورد استفاده قرار گرفته است.
اما این روش برای پوششدهی دیگر فلزات به دلیل دمای بالای انجام فرآیند 1000 - درجه سانتی گراد - مناسب نمیباشد. همچنین به دلیل پتانسیل استاندارد بسیار منفی زوج Al/Al - III - نسبت به الکترود نرمال هیدروژنٌآلومینیوم توانایی رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم از محلولهای آبی امکان-پذیر نمیباشد. زیرا فرآیند آزادسازی هیدروژن قبل از رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم در محلولهای آبی رخ میدهد5]و.[8-7 لذا پیدا کردن الکترولیتهایی با بازدهی بالاتر و مناسبتر ضروری است.در دهههای گذشته برخی حلالهای آلی قطبیٍبرای رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم توسعه یافتند. پوششهای آلومینیوم بدست آمده با این نوع الکترولیتها دارای کیفیت بالا میباشند.
بهرحال آن سیستمها از برخی معایب ذاتی همچون رسانایی الکتریکی پایین، گسترهی الکتروشیمیاییَباریک، قابلیت حل کردن مقدار کم نمکهای آلومینیوم، فراریت بالا و خطر انفجار رنج میبردند که کاربرد آنها را محدود میکند. در مقابل الکترولیتهای غیر آلی مورد استفاده پایداری شیمایی بالاتر و خواص الکتروشیمیایی بهتر را نشان دادند. آلومینیوم در اتمسفر خنثی از نمکهای مذاب تشکیل شده از مخلوطهای دوتایی آلومینیوم کلرایدُ و کلرید فلز قلیاییِ میتواند رسوبدهی الکتریکی کند. که فلز قلیایی سدیم، لیتیوم و یا مخلوطی از پتاسیم و سدیم باشد. و کلرید نیز میتواند به وسیلهی برومید و یا یدید جایگزین شود. معایب آن الکترولیتها همانطور که مشخص است، طبیعت خورندهی بالای آنها و فشار بخار بالای آلومینیوم کلراید میباشد که ممکن است در دماهای بالا، انفجار و تشکیل ترکیبات بین فلزی ترد در لایههای زیرین را نتیجه دهد.[6-5]
علاوه بر این، دمای کاری بالا همواره شرایط عملیاتی سخت و مصرف انرژی بالا را نتیجه میدهد. از نقطه نظر عملی توسعهی الکترولیتهای جدید با مشخصات شیمیفیزیک بهبود یافته و شرایط عملیاتی مناسب هنوز مورد نیاز است.[7]مایعات یونی دمای اتاقّترکیباتی تشکیل شده از کاتیونهای آلی با آنیونهای آلی/غیرآلی هستند. در دهههای گذشته تحقیقات بر مایعات یونی توجه زیادی را در فرآیندهای مهمی در رنج وسیعی از زمینههای تحقیقاتی به خود جلب نموده است. مایعات یونی دمای اتاق دارای خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فرد همچون دامنهی دمایی وسیع، پایداری حرارتی بالا، فشار بخار ناچیز، نقطهی ذوب پایین، گسترهی الکتروشیمیایی وسیع، مصرف انرژی پایین و تولید آلودگی پایین میباشد .[8]
تعدادی از مطالعات بیان کردهاند که مایعات یونی الکترولیتهای امیدبخشی در رسوب-دهی الکتریکی فلزات فعال هستند. و خواص عالی مایعات یونی می تواند به طور موثر بر معایب الکترولیتهای متداول غلبه کند.[12-9]در اوایل دهه 1950 هورلیْو ویرَ برای اولین بار مشخص کردند که آلومینیوم میتواند از مایع یونی شامل -Nاتیل پریدنیوم کلرایدُ و آلومینیوم کلراید در دمای پایین رسوبدهی الکتریکی کند. از آن پس مطالعات بنیادی بر رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم و آلیاژهای آن در مقالات گزارش داده شد. در بررسیهای انجام شده مشخص شد، مایعات یونی پیشنهاد مناسب برای رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم در دمای اتاق میباشند. مطالعات الکتروشیمیایی آبکاری آلومینیوم و آلیاژهای آنها از مایعات یونی دمای پایین و دمای اتاق موضوع تعدادی از تحقیقات در سالهای اخیر بوده است.
در تمامی گزارشات [5] رسوب آلومینیوم با کیفیت بالا و بازدهی جریان بهبود یافته به دلیل رسانایی بالا و گسترهی الکتروشیمیایی وسیع مایعات یونی بدست آمده است.[7] در آن مطالعات چندین مایع یونی به عنوان الکترولیت برای رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفتهاند. یکی از بیشترین مایعات یونی مورد مطالعه قرار گرفته کلروآلومیناتهاًٌنام دارند. آن سیستم به وسیلهی اختلاط آلومینیوم کلراید با -1اتیل--3متیل ایمیدازولیوم کلرایدٌٌ[EMIC] تشکیل شده است. این سیستم در نسبت مولار 1:1 آلومینیوم کلراید به [EMIC] در 8 درجه سانتیگرادمایع است و ترکیب با نسبت مولار 1: 2 در -98 درجه سانتی گراد مایع است.
بهرحال این سیستم مایع یونی برای رسوبدهی الکتریکی لایههای چسبنده و متراکم آلومینیوم در دمای اتاق عالی اثبات شد است. برخی از مطالعات قبلی بر مکانیزم رسوبدهی الکتریکی تمرکز کردند و گزارش دادند لایههای کاربردی آلومینیوم هنگامی که نسبت مولار آلومینیوم کلراید به 1: 2[EMIC] است به آسانی قابل رسوبدهی هستند. گونهی فعال الکتریکی Al₂Cl₇¯ مسئول رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم بر اساس واکنش زیر است.[6]بازدهی جریان بر اساس اختلاف وزن کاتد، قبل و بعد از فرآیند رسوبدهی و مقدار تئوری رسوب تحت شرایط آزمایش بر اساس معادله زیر محاسبه میشود.
.2آزمایشات
فولاد آلیاژی CK45 با ترکیب ارائه شده در جدول 1 به عنوان کاتد در فرآیند رسوبدهی الکتریکی آلومینیوم مورد استفاده قرار گرفته است. کاتد به صورت مکعب مستطیل و دارای ابعاد0/3×1×3 سانتیمتر میباشد. نمونهها تا سنباده 1000زبریسازی شد، و به منظور تمیز شدن به مدت 480 ثانیه در حمام آلتراسونیک قرار گرفتند.برای فعالسازی سطح، هر نمونه به مدت 1دقیقه در محلول اسیدکلریک قرار داده شد. سپسبا آب مقطر شسته شد و پس از آن در دی کلرومتان غوطهور میشود. در انتها تمامی نمونهها به منظور بررسی بازدهی جریان قبل از اتصال به دستگاه به وسیلهی ترازو وزن شدند.آند از جنس آلومینیوم آلیاژی 1050 با ابعاد 0/3×1/5×2 انتخاب شد که علاوه بر آلومینیوم کلراید منبعی برای تامین رسوب آلومینیوم باشد.
ترکیب شیمیایی آند در جدول 2 ارائه گردیده است. آند ابتدا با استفاده از سمباده 800 زبری سازی شد، سپس در محلول سدیم هیدروکسید به منظور حذف لایه اکسیدی قرار گرفت. پس از حذف لایه اکسیدی با استفاده از آب مقطر شسته شده و بلافاصله در استون قرار داده میشود.تمامی مراحل آمادهسازی الکترولیت و فرآیندهای رسوبدهی الکتریکی در اتمسفر نیتروژن و درون گلوباکس با میزان اکسیژن و رطوبت کمتر از 5ppm انجام شد. الکترولیت آبکاری به وسیلهی افزودن آهستهAlCl₃ به [EMIM]Br در اتمسفر خنثی، به منظور دستیابی به ترکیب [EMIM]Br/AlCl₃ با نسبت مولار 1: 2آمادهسازی شد.
قبل از شروع فرآیند آبکاری، آمادهسازی الکتروشیمیایی کاتد به منظور حذف لایهی اکسیدی تشکیل شده بر روی سطح کاتد مطابق مرجع شماره [13] انجام شد. فرآیند آبکاری الکتریکی در اتمسفر خنثی و با استفاده از تکنیک جریان ثابت در دمای محیط انجام شد. پارامترهای رسوبدهی الکتریکی در جدول 3 ارائه گردیده است. پس از اتمام فرآیند آبکاری نمونه ها به وسیلهی استون شسته شده و در هوا خشک میشوند. به منظور محاسبهی بازدهی جریان0 فرآیند، وزن نمونهها پس از فرآیند آبکاری محاسبه میشود.
