Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СОЗДАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

Изобретение относится к области получения наноструктурированных материалов, в том числе композиционных покрытий, получаемых электрохимическим осаждением, и может быть использовано для создания материалов с заданными свойствами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения композиционного покрытия, содержащего ультрадисперсные алмазы [патент на изобретение BY, №13878 C1, C25D 15/00, 30.12.2010. «Способ получения биосовместимых покрытий на хирургических имплантах». Авторы Чигринова Н.М., Ильющенко А.Ф., Чигринов В.Е., Чигринов В.В.], который ведут в потенциостатическом режиме при напряжении 260 В в течение 20 минут с одновременным пропусканием через раствор ультразвуковых колебаний частотой не менее 22 кГц.

Однако данный способ влияет на процесс осаждения, что делает покрытия неравномерными и рыхлыми с высокой пористостью.

Изобретение направлено на разделение частиц в суспензии на основе водного раствора электролита до наноразмерной величины, поддержание ее длительное время в рабочем состоянии в течение всего срока эксплуатации электролита и предотвращение процесса седиментации.

Это достигается тем, что процесс осаждения проводят при постоянном восстановлении отработанной суспензии по размерам ультрадисперсных частиц воздействием ультразвуковых колебаний путем замены отработанной суспензии на восстановленную каждые 15-20 минут принудительной циркуляцией между сообщающимися ваннами гальванического осаждения и восстановления электролита.

Таким образом, происходит увеличение срока эксплуатации электролита.

Способ осуществляется следующим образом.

Навеска частиц заданной концентрации помещается в водный раствор электролита. Далее производится перемешивание в течение 15-20 мин при комнатной температуре в ультразвуковой ванне, обеспечивающей частоту колебаний до 40 кГц. Затем рабочий объем приготовленной суспензии помещается в электролитическую ячейку для осаждения. Каждые 15-20 минут суспензия обновляется путем замены отработанной суспензии восстановленной принудительной циркуляцией между сообщающимися сосудами гальванического осаждения и восстановления суспензии.

При ультразвуковом воздействии происходит интенсивное перемешивание и разделение частиц, которые затем доставляются к катоду с ионами металла, что обеспечивает их высокую и равномерную концентрацию в металлической матрице покрытия. За счет упорядоченности наночастиц на поверхности изделия формируется композиционное покрытие со структурой, имеющей высокую плотность и твердость.

Примеры осуществления способа

Пример 1. В работе Козенков О.Д., Пташкина Т.В., Косилов А.Т. Исследование суспензий ультрадисперсных алмазов в диспергирующей среде на основе водных растворов электролитов (Вестник ВГТУ, 2012 г., Т. 8, вып. 7.1, стр. 65-69) экспериментально установлено, что после завершения ультразвукового воздействия происходит очень быстрая коагуляция нанодисперсных суспензий, которая протекает вплоть до достижения нулевой концентрации ультрадисперсных алмазов (УДА) в растворе электролита.

Результаты исследования показали возможность восстановления коагулировавшей суспензии. С этой целью суспензии подвергались повторной ультразвуковой обработке, после чего определялся размер полученных частиц в суспензии.

Установлено, что ультразвуковое воздействие с частотой до 40 кГц на суспензии УДА приводит к их полному восстановлению по концентрации и размерам частиц. При этом разбиваются крупные агломераты, и суспензия практически полностью соответствует исходному состоянию, то есть имеет тот же размер частиц УДА и ту же концентрацию частиц УДА в растворе электролита, что и свежеприготовленная. Обнаружено влияние продолжительности ультразвукового воздействия на размер частиц в суспензии. Установлено, что с ростом продолжительности ультразвукового воздействия размер частиц УДА в суспензии уменьшается, достигая некоторого предельного значения. Данные факты позволяют сделать вывод о том, что агломераты частиц УДА образуются за счет слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия.

Пример 2. В рамках тематического плана НИР, выполняемой по заданию Минобрнауки России в Воронежском государственном техническом университете, методом гальвано-химического осаждения были получены медные и никелевые композиционные электрохимические покрытия, содержащие в металлической матрице ультрадисперсные алмазы (УДА) или углеродные нанотрубки (УНТ) (Cu-УДА, Cu-УНТ, Ni-УДА, Ni-УНТ). Использовали водные электролит меднения либо электролит никелирования на основе солей CuSO₄, CuCl₂, либо NiSO₄, NiCl₂ соответственно с добавлением УДА или УНТ от 0 до 10 г/л.

Применяли различные режимы осаждения, при которых плотность тока варьировалась от 0,5 до 6 А/дм². Частота ультразвуковых колебаний составляла до 40 кГц.

Длительность осаждения и количество циклов замены электролита зависят от необходимой толщины покрытия. Полная смена электролита-суспензии происходит за 15-20 минут. Количество циклов можно регулировать, меняя интенсивность перекачки электролита-суспензии из ячейки электролитического осаждения в емкость ультразвуковой обработки суспензии.

Исследования полученных композиционных электролитических покрытий включали измерение микротвердости с помощью микротвердомера ПМТ-3, исследование поверхности образцов на сканирующем электронном микроскопе JEOL JSM-6380 при различных увеличениях, измерение плотности.

Микротвердость и плотность покрытий зависят от концентрации и размера частиц УДА или УНТ, размера получаемого зерна, а также от содержания примесей. Анализ структурной организации медных и никелевых катодных осадков показал, что при введении частиц УДА или УНТ происходит измельчение зерна, в 1,5-2 раза повышается твердость, а плотность незначительно снижается до 8,1 г/см³. Поверхность получается сплошной, равномерной, матовой, а в случае с никелевыми покрытиями - с элементами блеска, покрытие не отслаивается.

В результате полученные экспериментальные данные имеют важное практическое значение, поскольку позволяют предотвращать процессы коагуляции и седиментации частиц УДА в процессе электролитического осаждения композиционных наноструктурированных покрытий путем ультразвукового воздействия на суспензию на основе водного раствора электролита.