بخشی از مقاله
چکیده:
کروم سیاه یکی از پراستفادهترین پوششهای جاذب Selective میباشد که در سیستمهای نوری-حرارتی خورشیدی بسیار مورد استفاده قرار میگیرد. در تحقیق حاضر هدف بدست آوردن یک ترکیب شیمیایی برای الکترولیت حمام آبکاری پوشش مذکور میباشد؛ بطوریکه پوشش بدست آمده از این حمام از لحاظ متالورﮊیکی، خواص نوری، اقتصادی و سهولت کاربرد، در شرایط مناسب و ایدهآل قرار داشته باشد. برای برآورده شدن این هدف نقش مواد افزودنی به حمام مورد بررسی قرار گرفت و در نهایت یک پوشش کروم سیاه با ضریب جذب خورشیدی برابر ۲۹/۰ تا ۷۹/ ۰ بدست آمد.
این حمام از مواد شیمیایی ارزان قیمت تشکیل شده و شرایط کاری آن اعم از دما، pH، دانسیته جریان و زمان آبکاری بسیار ساده میباشند. بطور مثال از آنجاییکه کنترل pH در حمامهای آبکاری بسیار مشکل میباشد، نیاز به هیچ کنترل خاصی روی pH حمام طراحی شده نیست و حمام در pH طبیعی خودکار میکند. حمام طراحی شده متشکل از سولفات کروم، کلرید کبالت، هیپوفسفیت سدیم، فسفات دی هیدروﮊن سدیم و فلورید سدیم میباشد. پس از بدست آمدن رسوب کروم سیاه آزمایشاتی نظیر بررسی مقاومت حرارتی، خوردگی، چسبندگی، قدرت پرتاب، وجود نیکل براق بعنوان پیش پوشش و مطالعات ساختاری توسط SEM و XRD انجام گرفتند.
مقدمه
استفاده اقتصادی و مقرون به صرفه از انرﮊی خورشیدی، نیازمند استفاده از یک سطح جاذب با راندمان بالا میباشد. پوششهای مناسب جهت کاربرد موفق و با راندمان بالا در سیستمهای حرارتی خورشیدی باید دارای ضریب جذب خورشیدی بالای ۹/۰ در محدوده طول موج تشعشات خورشیدی یعنی m ۳/۰ تا m ۲ و ضریب نشر حرارتی کمتر از ۱/۰ در محدوده طول موج مادون قرمز باشند. به چنین خاصیتی Selectivity گفته میشود]۱.[ کروم سیاه از بهترین پوششهای Selective میباشد و ایجاد آن با استفاده از حمامهایی که حاوی یون کروم ۳ ظرفیتی هستند، باعث ایجاد پوششهایی با خواص نوری و متالورﮊیکی مناسب جهت کاربردهای نوری– حرارتی خورشیدی میشود]۲.[
از مزایای رسوب کروم سیاه میتوان به مواردی نظیر جذب خورشیدی بالا و در حدود ۶۹%، نشر حرارتی کم و برابر۲۱%، عمر طولانی، راندمان کاری بالا، رسانایی حرارتی بالا، مناسب بودن برای گرم کردن سیال تا دمای 0C ۵۸، راندمان گرمایی بالا، پایداری خوب، کیلو کالری به دلار بیشتر، هزینه نگهداری کم اشاره نمود. همچنین به دلیل تنشهای داخلی کم در لایه کروم سیاه، رسوب مذکور دچار ترک خوردگی و پوسته شدن نمیشود]۱.[
همچنین از معایب کروم سیاه میتوان این موارد را نام برد: ایجاد این پوشش به دانسیته جریانهای بالا نیاز دارد، راندمان جریان در حمام آبکاری آن کم است، قدرت پرتاب حمام آبکاری پایین است و لذا معمولاﹰ پوشش ضخامت یکنواختی ندارد]۳.[ مطالعات ساختاری توسط SEM نشان دهنده وجود حفره و خلل و فرج نیز در ساختار رسوب میباشد]۴.[ اگرهمراه کروم سیاه، فلزات سنگین نطیر نیکل و ترجیحاﹰ کبالت نیز رسوب داده شود، مقاومت دمایی پوشش بالاتر رفته و میتواند حتی دماهایی تا 0C ۰۰۷ را نیز تحمل نماید. منظور از فلزات سنگین، فلزاتی است که دارای وزن مخصوص بالاتر از ۴ گرم بر سانتی متر مکعب میباشند]۵.[
وجود نیکل در زیر رسوب کروم سیاه باعث کم شدن ضریب نشر حرارتی میشود چون نیکل ذاتاﹰ دارای یک ضریب نشر حرارتی کم است]۶.[ انجام عملیات مختلف جهت آمادهسازی زیرلایه قبل از انجام عملیات آبکاری کروم سیاه نیز باعث تغییر در مورفولوﮊی و ترکیب شیمیایی رسوب سیاه رنگ میشود. انجام فرآیندهای پولیش مکانیکی و پس از آن الکتروپولیش بر روی زیرلایههای مسی باعث ایجاد خواص خوب Selectivity در کروم سیاه نشانده شده میشود]۷.[ با توجه به تاثیر ضخامت پوشش بر روی ضرائب جذب و نشر حرارتی، ضخامتهای بین ۵/۰ تا ۵/۲ میکرون بهترین جواب را از لحاظ Selectivity میدهند]۸.[ حمامهای آبکاری کروم سیاه که حاوی یون Cr3+ میباشند، از سه جزﺀ اصلی و یک جزﺀ فرعی که عبارت از:
۱ یون کروم سهظرفیتی ۲ یون کبالت و یا آهن۳ یک عامل کمپلکسکننده ضعیف و همچنین مواد افزودنی مناسب در کنار این سه جزﺀ هستند، تشکیل شده است]
۲.[ محدوده دمایی مطلوب برای آبکاری کروم سیاه بین 0C ۵۲تا ۵۴ است. دانسیته جریان مناسب برای آبکاری کروم سیاه بین ۰۳ تا ۰۰۰۰۱ آمپر بر متر مربع تغییر میکند]۲.[
روش تحقیق
در این تحقیق از زیرلایههای مسی به ضخامت ۱میلیمتر استفاده شد. برای آماده سازی سطح این زیرلایهها از دو عملیات پولیش مکانیکی با سمباده شماره ۰۰۶ و شستشو در آب مقطر و بلافاصله عملیات الکتروپولیش توسط حمام زیر، استفاده شد :
محلول الکتروپولیش: اسید فسفریک در غلظت ۲/۱ مولار
دمای حمام : 0C ۰۳
کاتد: سربپروسه الکتروپولیش بدین صورت انجام شد که ابتدا نمونههای مسی به مدت ۰۳ ثانیه در دانسیته جریان ۰۰۵۳ آمپر بر متر مربع و سپس به مدت ۳ دقیقه در دانسیته جریان ۰۰۹ آمپر بر متر مربع تحت انجام عملیات قرار میگرفتند. در کلیه آزمایشات آبکاری، از آند سربی با نسبت مساحت آند به کاتد برابر۲ استفاده شد. در مراحل اولیه آزمایشات که هدف پیداکردن ترکیب شیمیایی مناسب برای حمام آبکاری کروم سیاه بود، شرایط کاری حمام ثابت و بصورت جدول۱ انتخاب شد.
بدیهی است که شرایط مذکور در جدول۱ کاملاﹰ ابتدایی بوده و شرایط نهایی پیشنهادی در مراحل بعدی آزمایشات مشخص گردید. منظور از pH طبیعی، pH حاصل از مخلوط و حل کردن مواد سازنده حمام آبکاری میباشد. نحوه بررسیها و رد یا قبول کردن نمونههای انجام شده بدین صورت بود که در مراحل ابتدایی آزمایشات که نمونهها ظاهری سیاه و کاملاﹰ تیره نداشتند، از بازرسیهای ضمنی و چشمی استفاده میشد و پارامترهایی نظیر رنگ و یکنواختی پوششها و چسبندگی آنها به زیرلایه مد نظر قرار میگرفت. کاملاﹰ واضح است که در مراحل ابتدایی کار به هیچ وجه انتظار گرفتن پوششهایی کاملاﹰ سیاه نمیرفت.
