авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Получение оптически селективных и чёрных оксидных плёнок на алюминии и его сплавах при поляризации переменным асимметричным током

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Клушин Виктор Александрович

Получение оптически селективных и чёрных оксидных

плёнок на алюминии и его сплавах при поляризации

переменным асимметричным током

05.17.03 – «Технология электрохимических процессов и защита от

коррозии»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

г. Новочеркасск – 2011 г.

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Кудрявцев Юрий Дмитриевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Селиванов Валентин Николаевич
кандидат химических наук, доцент Савельева Елена Анатольевна

Ведущая организация: Научно–исследовательский институт

физической и органической химии Южного федерального университета, 344090, г. Ростов–на–дону, пр. Стачки, 194/2

Защита состоится 01 марта 2011 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.05. при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» в 107 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовская область, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)».

Автореферат разослан 31 января 2011 года

Учёный секретарь

диссертационного совета Жукова И.Ю.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Разработка дешёвых и экологически безопасных способов получения оптически селективных покрытий (Пк) позволит расширить использование солнечной энергии как альтернативу стандартным источникам тепла: электрической энергии и углеводородному сырью. Существующие в настоящее время способы получения оптически селективных Пк обладают целым рядом существенных недостатков: высокой энергоёмкостью процесса, многослойностью Пк и длительностью его нанесения (3 – 4 часа), применением дорогих и экологически вредных компонентов. Поэтому для успешного использования солнечных водонагревателей на российском рынке необходима разработка новых технических решений в области получения оптически селективных покрытий.

Оптически черные светопоглощающие Пк – это важная часть современных средств отображения информации и перспективные терморегулирующие Пк. Большое значение чёрные Пк имеют при изготовлении приборов индикации для автомобилей и самолётов. Традиционной технологией производства оптически черных Пк является применение какого – либо поглощающего вещества. Однако такие Пк не обеспечивают оптимальных характеристик с минимальным уровнем отражения.

Электрохимические методы позволяют достаточно просто получать анодный оксид алюминия с заданными функциональными свойствами, которые можно изменять, если поры оксида заполнить теми или иными органическими или неорганическими веществами, вводимыми в раствор электролита. Представляется перспективным на базе анодного оксида алюминия получение оптически селективных и черных Пк с применением переменного асимметричного тока. Исследования по использованию переменного асимметричного тока для получения таких Пк отсутствуют. Вместе с тем, это направление весьма перспективно, так как позволит найти эффективное решение ряда важных технологических задач. Использование электрохимического метода весьма привлекательно еще и тем, что он прост и экономичен по сравнению с другими методами.

Таким образом, получение оптически селективных и чёрных оксидных Пк с использованием переменного асимметричного тока является важной научной и прикладной задачей.

Цель работы – получение оптически селективных и чёрных оксидных плёнок на поверхности алюминия и его сплавах при поляризации переменным асимметричным током.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

– разработка нового способа подготовки поверхности алюминиевых сплавов при получении оптически селективных покрытий;

– разработка нового способа получения оптически селективных и чёрных покрытий;

– разработка составов электролита и режимов формирования оптически селективных и чёрных покрытий при поляризации переменным асимметричным током;

– изучение закономерностей формирования и оптических свойств оксидных покрытий на поверхности алюминиевых сплавов, полученных при поляризации переменным асимметричным током;

– исследование структуры и фазового состава оптически селективных и чёрных оксидных плёнок на сплавах алюминия;

– разработка фторопластсодержащей полимерной дисперсии и состава прозрачного полимерного слоя, стойкого к воздействию ультрафиолета;

– исследование возможности использования микродугового оксидирования для получения оптически чёрных покрытий;

– изучение электрохимических процессов, происходящих при формировании оптически селективных покрытий на поверхности сплавов алюминия;

– проведение лабораторных испытаний оптически селективных покрытий на термостарение.

Научная новизна работы:

– теоретически обоснована и экспериментально доказана эффективность использования переменного асимметричного тока для получения оптически селективных и чёрных оксидных плёнок на алюминии и его сплавах;

– разработан новый способ получения оптически селективных и чёрных покрытий на поверхности алюминия и его сплавах при поляризации переменным асимметричным током;

– разработан новый способ подготовки поверхности сплавов алюминия;

– установлено, что разработка нового способа подготовки поверх­ности алюминиевых сплавов позволяет получить развитую нано-
структурированную поверхность, обеспечившую высокие оптические свойства покрытий;

– установлено влияние на тепловоспринимающую способность оптически се­лективного покрытия нанесение прозрачного полимерного слоя,
стойкого к воздействию ультрафиолета;

– установлено, что оптические свойства покрытий обусловлены
высокодисперсным никелем, накапливающемся на дне пор;

– накоплен новый фактический материал по влиянию соотношения
амплитуд катодного и анодного токов, компонентов электролита
на процесс формирования оптически селективных и чёрных покрытий;

– установлено, что разработанные покрытия по своим оптическим
свойствам конкурентоспособны по отношению к зарубежным
аналогам.

Практическое значение полученных результатов. На основании ре­зультатов исследований разработаны способы получения оп­тически селективных и чёрных Пк, позволившие повысить эффективность преобра­зования коллектором солнечной энергии в тепловую и снизить стоимость Пк. Предлагаемые технологические решения дают возможность: снизить энергоёмкость процесса до 10 кВтм–2; получить однослойное Пк с высокими оптическими свойствами в течении 2,5 мин; исключить использование дорогостоящих компонентов; обеспечить экологическую безопасность нанесения Пк.

Разработанные покрытия были испытаны в ООО "Научно-производственный комплекс "ВЭТО"" г. Санкт-Петербурга и рекомендованы к использованию в гелиотехнике, электронной, автомобильной и военной отраслях промышленности. Техническую новизну практических результатов работы подтверждают шесть патентов РФ.

Автор защищает:

– новый способ получения оптически селективных и черных оксидных покрытий на алюминии и его сплавах;

– новый способ подготовки поверхности алюминиевых сплавов АД 31 и А 5 М;

– теоретические закономерности и оптимальные условия формирования оптически селективных и черных покрытий на поверхности алюминиевых сплавов АД 31 и А 5 М из разработанных составов электролита с применением статистических методов планирования экспериментов;

– влияние нанесения прозрачного полимерного слоя на тепловоспринимающую способность оптически селективного покрытия.

Личный вклад соискателя. Автор принимал участие: в разработке методики проведения эксперимента; изготовлении экспериментальных образцов с оптически селективными и чёрными покрытиями; определении комплекса их физико-химических и оптических свойств; в разработке механизма формирования оптически селективных покрытий на алюминиевых сплавах в условиях поляризации переменным асимметричным током; обобщении экспериментальных данных и формировании выводов.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты и поло­жения работы изложены на II всероссийской научно – практической конфе­ренции «Защитные покрытия в машиностроении и приборостроении», г. Пенза, 2005 г.; на научно - практической конференции «Современные тех­нологии упрочнения металла и нанесения покрытий», г. Ростов-на-Дону, 2005 г.; на двадцать седьмой международной конференции «Композицион­ные материалы в промышленности», г. Ялта, 2007г.; на всероссийской конференции «Электрохимия и эколо­гия», г. Новочеркасск, 2008 г.; на пятой международной научно – практиче­ской конференции «Исследование, разработка и применение высоких техно­логий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2008 г.; на четвёртой всерос­сийской конференции «Химия поверхности и нанотехнология», г. Санкт-Петербург, 2009 г.; на третьей всероссийской конференции по наноматериалам «НАНО – 2009», г. Екатеринбург, 2009 г.; на третьей международной конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов», г. Москва, 2009 г..

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 16 работ, из которых 2 статьи в журналах ВАК, 6 патентов РФ, материалы международных и всероссийских конференций – 8.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка цитируемой литературы из 176 наименований и 1 приложения. Работа изложена на 176 страницах, содержит 40 рисунков и 23таблицы.

Основное содержание работы

Во введении отражена актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и задачи исследования.

В первой главе приведен анализ научно – технической и патентной литературы по теме диссертации. Рассмотрены анодные оксидные пленки на алюминии, модели их образования, режимы и способы формирования, композиционные Пк на основе этих плёнок. Проведён анализ электролитов и режимов для формирования цветных Пк на алюминии и его сплавах с использованием традиционного оксидирования и микроплазменных процессов. Рассмотрены оксидные плёнки алюминия, полученные при нестационарном режиме электролиза, особенности их формирования и преимущества. Проведён анализ способов получения оптически селективных и чёрных Пк, обеспечивающих эффективное поглощение солнечной энергии.

Обоснован выбор объектов исследования и пути повышения эффективности оптических свойств селективных и чёрных оксидных плёнок на сплавах алюминия.

Во второй главе описаны методы экспериментальных исследований и применяемая аппаратура.

Формирование оптически селективных и чёрных оксидных Пк проводили на предварительно подготовленной поверхности сплавов алюминия АД 31 и А 5 М при поляризации переменным асимметричным током промышленной частоты, представляющим собой две полусинусоиды разной амплитуды.

Оптически чёрные покрытия также получали с использованием метода микродугового оксидирования на установке тиристорного типа в гальваностатическом режиме.

Оптимизацию процесса формирования покрытий осуществляли с помощью метода математического планирования эксперимента Бокса – Уилсона.

В работе использован комплекс современных независимых, взаимодополняющих электрохимических и физико-химических методов исследования: вольтамперные циклические кривые (ЦВА) и циклические кривые заряжения (ЦКЗ); рН – метрия; спектрометр S – 4100; фотометр накладной ФМ – 59 – 44.2 в соответствии с условиями эксплуатации по ГОСТ 15160 – 69; терморадиометр ТРМ"И"; просвечивающую высокоразрешающую электронную и электронно-зондовую, высоковакуумную микроскопию и рентгеноспектральный микроанализ; методы определения термостарения, пористости и коррозионной стойкости в соответствии с ГОСТ; при оценке воспроизводимости экспериментальных результатов использовали методику среднестатистической оценки доверительного интервала по 3 – 4 параллельным измерениям, который характеризовался критерием Кохрена.

В третьей главе представлены и обсуждаются результаты исследований по получению оптически селективных Пк на поверхности алюминиевых сплавов; изучению влияния структуры поверхности, природы и количества органической кислоты в составе электролита, прозрачного полимерного слоя и температуры на их оптические свойства.

Получение оптически селективных покрытий – трудная задача, а в данном случае она осложняется и тем, что известные электролиты, используемые для оксидирования алюминия и его сплавов, применять нельзя, так как они не позволяют получать пористые Пк толщиной не более 1 мкм с одновременным заполнением пор высокодисперсным никелем.

На первом этапе были проведены исследования по разработке состава электролита для формирования оптически селективных Пк. Разработанный состав содержал сульфат алюминия (Al2(SO4)3·18H2O), сульфат никеля (NiSO47H2O), формалин и одну из оксикислот (лимонную, винную, аскорбиновую). Противоэлектродом служил алюминиевый сплав А 5 М.

Планирование эксперимента проводили, используя четверть реплику ПФЭ 25 с генерирующими соотношениями X4 = X1X2X3, X5 = –X1X2.

За функцию отклика поверхности (Y и Z) при формировании оптически селективных покрытий принимали коэффициент поглощения, Ас (Y), и коэффициент собственного излучения, (Z). Используя результаты матрицы планирования и крутого восхождения по поверхности отклика, установлены оптимальные условия получения оптически селективных покрытий на поверхности алюминиевых сплавов: соотношение амплитуд средних катодного и анодного токов составляет 1,3 : 1,0, температура 20 ± 4 С и время нанесения 2,5 мин.

Введение в условия подготовки поверхности алюминиевых сплавов стадии цинкования, роль которой заключалась не в создании подслоя для последующего нанесения гальванического покрытия, а в увеличении удельной поверхности, дало возможность получить высокоразвитую микроструктуру (рисунок 1). Поэтому полученные при оптимальных условиях селективные Пк обладали высокими оптическими характеристиками: Ас = 93,5 % и = 6,0 %.

  Морфология поверхности-0

Рисунок 1 – Морфология поверхности алюминиевых сплавов перед нанесением селективного покрытия

Из всех исследованных оксикислот наибольшую поглощающую способность оптически селективного покрытия и его высокую адгезию к подложке обеспечило введение в состав электролита лимонной кислоты. Её наличие в растворе электролита вследствие комплексообразования с никелем подавляет образование гидроксида никеля в катодный полупериод и облегчает доставку никеля к поверхности электрода, где он и выделяется в виде высокодисперсного никеля в порах оксида.

Для увеличения тепловоспринимающей способности оптически селективных Пк необходимо иметь на его поверхности прозрачный слой, стойкий к воздействию ультрафиолета. Проведенные разработки по получению фторопластсодержащих полимерных дисперсий, используемых для нанесения Пк на поверхность оксидированного металла способами автофореза и гетероадагуляции, позволили изучить возможность применения полимеров в виде прозрачного слоя на поверхности оптически селективных покрытий.

Нами впервые в качестве прозрачного слоя были исследованы истинные растворы фторопласта Ф – 3 МВ, Ф – 32 ЛН и кремнийорганического лака КО – 85. Из всех исследуемых полимеров для формирования прозрачного слоя на поверхности селективных Пк наиболее перспективным оказался 1 – 3 % (масс) фторопластовый лак Ф – 32 ЛН. Наличие этого слоя увеличило коэффициент поглощения до 95,0 % и незначительно повысило излучательную способность, до 9,0 %. Разработанные оптически селективные Пк обладают высокой термостабильностью (рисунок 2), что свидетельствует о возможности их использования в гелиоустановках. Причем, что очень важно, с возрастанием температуры до 250 C поглощающая способность Пк практически не изменяется, а излучательная способность уменьшается, т.е. с увеличением времени эксплуатации солнечного коллектора селективность Пк будет расти. Следовательно, в области концентраций фторопластового лака 1 – 3 % (масс) обработка оптически селективных Пк его растворами не изменяет их толщину и эффективно влияет на оптические свойства Пк.

  Зависимость коэффициентов-1

Рисунок 2 – Зависимость коэффициентов поглощения (а) и излучения (б) от температуры. Ас –коэффициент поглощения; – коэффициент излучения.

Оптически селективные покрытия состоят из частиц оксида алюминия, имеющих размеры в интервале от 20 до 70 нм (рисунок 3). Растровая электронная микроскопия позволила установить, что внутри частиц оксида алюминия располагается высокодисперсный никель, который равномерно распределён по поверхности (рисунок 4).

  Электронно-микроскопический-2

Рисунок 3 – Электронно-микроскопический снимок поверх-ности алюминия с оптически селективным покрытием

Рисунок 4 – Изображение поверхности оптически селективного покрытия на поверхности алюминиевых сплавов в рентгеновском излучении NiK – линии. Маркер – 10 мкм



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.