Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός σύνθετων ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων Ni/Φουλερενίων

Βολιώτη, Μαρία; Volioti, Maria

dc.contributor.author	Βολιώτη, Μαρία	el
dc.contributor.author	Volioti, Maria	en
dc.date.accessioned	2014-10-21T09:11:06Z
dc.date.available	2014-10-21T09:11:06Z
dc.date.issued	2014-10-21
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/39299
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.4866
dc.rights	Default License
dc.subject	Σύνθετες επικαλύψεις μεταλλικής μήτρας	el
dc.subject	Ηλεκτρολυτική επινικέλωση	el
dc.subject	Ηλεκτρολυτική συναπόθεση	el
dc.subject	Φουλερένια	el
dc.subject	Νικέλιο	el
dc.subject	Metal matrix composite coatings	en
dc.subject	Nickel electroplating	en
dc.subject	Electrolytic codeposition	en
dc.subject	Fullerenes	en
dc.subject	Nickel	en
dc.title	Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός σύνθετων ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων Ni/Φουλερενίων	el
dc.title	Development and characterization of Ni/Fullerene composite electrocoatings	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Χημικές επιστήμες	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2014-10-01
heal.abstract	Η ηλεκτρολυτική απόθεση μεταλλικών υλικών αποτελεί την πιο διαδεδομένη μέθοδο βιομηχανικής επιμετάλλωσης, λόγω της ευκολίας εφαρμογής της και της δυνατότητας παραγωγής αποθεμάτων με προκαθορισμένες ιδιότητες, με απλή μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας. Το νικέλιο ως μέταλλο επικάλυψης επιφανειών συναντάται σε πάρα πολλές εφαρμογές και ως εκ τούτου, η επινικέλωση αποτελεί μια χαρακτηριστική και ενδελεχώς μελετημένη περίπτωση ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, με ιδιαίτερη εμπορική σημασία. Η επινικέλωση χρησιμοποιείται για βελτίωση της αισθητικής διαφόρων αντικειμένων, αντιδιαβρωτική προστασία, επισκευή των φθαρμένων εξαρτημάτων των μηχανών κ.ά. Βασικό πλεονέκτημα της ηλεκτρολυτικής επινικέλωσης αποτελεί ο μεγάλος αριθμός λουτρών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν καθώς και η μεγάλη ποικιλία τύπων αποθεμάτων νικελίου που επιτυγχάνονται από αυτά, με την επιλογή των κατάλληλων συνθηκών ηλεκτρόλυσης. Η τεχνική της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης επιτρέπει, επιπλέον, την παραγωγή σύνθετων επικαλύψεων που με άλλες τεχνικές είναι πολύ δύσκολο ή αδύνατο να παραχθούν. Η ηλεκτρολυτική συναπόθεση, όπως ονομάζεται, αποτελεί αντικείμενο έρευνας και παράλληλα εφαρμόζεται στη βιομηχανία εδώ και δεκαετίες. Κατά την ηλεκτρολυτική συναπόθεση, αδρανή σωματίδια, τα οποία βρίσκονται ομοιογενώς διεσπαρμένα στο λουτρό της επιμετάλλωσης, ενσωματώνονται στη μεταλλική μήτρα. Οι σύνθετες μεταλλικές ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις που προκύπτουν με αυτή τη διαδικασία, συμπεριλαμβάνονται στα σύνθετα υλικά και ειδικότερα στην κατηγορία των σύνθετων υλικών μεταλλικής μήτρας (Metal Matrix Composites - MMCs). Γενικά, τα σύνθετα υλικά έχουν το μεγάλο πλεονέκτημα ότι συνδυάζουν τις ιδιότητες των συστατικών που τα αποτελούν με αποτέλεσμα να διαθέτουν νέες και βελτιωμένες ιδιότητες, που κανένα από τα αρχικά υλικά δεν εμφανίζει αν χρησιμοποιηθεί μεμονωμένα. Η ηλεκτρολυτική συναπόθεση αδρανών σωματιδίων ως ενισχυτικών μέσων διασποράς εντός της μεταλλικής μήτρας, έχει αποδειχθεί ότι οδηγεί στην παρασκευή τεχνολογικά προηγμένων σύνθετων υλικών με βελτιωμένες - σε σχέση με τις απλές επικαλύψεις - ιδιότητες, ικανών να πληρούν τις απαραίτητες προϋποθέσεις και να διαθέτουν τα επιθυμητά λειτουργικά χαρακτηριστικά για κάθε εφαρμογή. Η ανάπτυξη της τεχνολογίας αυτής στοχεύει κυρίως στη βελτίωση της μηχανικής, τριβολογικής και αντιδιαβρωτικής συμπεριφοράς των μεταλλικών αποθεμάτων. Οι σύνθετες μεταλλικές ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις βρίσκουν διαρκώς αυξανόμενη εφαρμογή στη βιομηχανία και ειδικά στην αυτοκινητοβιομηχανία, την αεροναυπηγική, τη ναυπηγική και τη βιομηχανία παραγωγής ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Ο κρυσταλλoγραφικός προσανατολισμός και κατ’ επέκταση οι ιδιότητες των σύνθετων ηλεκτρολυτικών αποθεμάτων επηρεάζονται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων, εκ των οποίων σημαντικότερες είναι: α) η σύσταση του ηλεκτρολυτικού λουτρού και η παρουσία, ή μη, πρόσθετων ουσιών, β) οι επιβαλλόμενες συνθήκες ηλεκτρόλυσης και η μορφή πόλωσης της ηλεκτρολυτικής κυψελίδας, και γ) η αλληλεπίδραση του μέσου ενίσχυσης με τη μεταλλική μήτρα και κυρίως τα χαρακτηριστικά των αδρανών σωματιδίων. Η ηλεκτρολυτική παρασκευή σύνθετων επικαλύψεων μήτρας νικελίου έχει μελετηθεί εκτεταμένα ως προς την επίδραση των παραπάνω παραμέτρων, και ιδιαιτέρως στις περιπτώσεις όπου η διεσπαρμένη φάση αποτελείται από κεραμικά σωματίδια. Στο πλαίσιο της παρούσας διπλωματικής εργασίας, ωστόσο, θεωρήθηκε ενδιαφέρον να ερευνηθεί η δυνατότητα συναπόθεσης φουλερενίων στη μήτρα νικελίου καθώς και η επίδραση των επιβαλλόμενων συνθηκών ηλεκτρόλυσης στη μικροδομή και τις ιδιότητες των σύνθετων αποθεμάτων. Τα φουλερένια είναι μια από τις αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα και ανακαλύφθηκαν το 1985. Αποτελούνται από συνδυασμό πενταμελών και εξαμελών δακτυλίων, οι οποίοι σχηματίζονται από τα άτομα του άνθρακα, με αποτέλεσμα το μόριο να αποκτά δομή κοίλου κυρτού πολυέδρου. Η πιο διαδεδομένη τεχνική σύνθεσής τους είναι η εξάχνωση γραφίτη που ακτινοβολείται με laser ή ηλεκτρικό τόξο. Η δομή των φουλερενίων μπορεί να τροποποιηθεί μέσω ποικίλων διεργασιών και αντιδράσεων και να προκύψουν, έτσι, διάφορα παράγωγα, όπως ενδοεδρικά ή εξωεδρικά φουλερένια, ετεροφουλερένια κ.λπ. Η τροποποίηση των φουλερενίων έχει ως αποτέλεσμα τη μεταβολή και βελτίωση ορισμένων ιδιοτήτων τους, όπως π.χ. η διαλυτότητά τους, δίνοντας έτσι τη δυνατότητα αξιοποίησής τους σε πλήθος εφαρμογών. Λόγω των ξεχωριστών ιδιοτήτων τους, τα φουλερένια, τα τροποποιημένα φουλερένια και τα παράγωγά τους, από την ανακάλυψή τους μέχρι σήμερα μελετώνται σε μεγάλο βαθμό και έχουν χρησιμοποιηθεί σε πλήθος επιστημονικών πεδίων και σε τεχνολογικές, οπτικο-ηλεκτρονικές, βιοτεχνολογικές και ιατρικές εφαρμογές, καθώς και για την ανάπτυξη νέων υλικών. Ακόμη, έχει δοκιμαστεί και η συμπεριφορά τους ως ενίσχυση σε σύνθετα υλικά. Παρ’ όλα αυτά, το σύστημα Ni/φουλερενίων είναι ελάχιστα μελετημένο στη βιβλιογραφία. Η παρούσα διπλωματική εργασία χωρίζεται σε τρία διακριτά μέρη. Το πρώτο, θεωρητικό, μέρος εξετάζει γενικά στοιχεία για την κρυσταλλική δομή των μετάλλων, το νικέλιο και τα σύνθετα υλικά, ενώ ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη δομή, τις ιδιότητες και τις εφαρμογές των φουλερενίων. Το μέρος αυτό αποσκοπεί επίσης στην κατανόηση των βασικών αρχών και παραμέτρων της ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης, τόσο για την παρασκευή απλών, όσο και σύνθετων αποθεμάτων. Αντίστοιχα, στο δεύτερο, πειραματικό μέρος, αρχικά περιγράφεται η εργαστηριακή διάταξη που χρησιμοποιήθηκε και η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την παρασκευή των αποθεμάτων Ni/μίγματος φουλερενίων. Έπειτα, αναλύονται οι βασικές αρχές των μεθόδων χαρακτηρισμού των αποθεμάτων, και στη συνέχεια παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα. Στο τρίτο και τελευταίο μέρος, συνοψίζονται τα συμπεράσματα που προκύπτουν από τη συγκεκριμένη εργασία και παρουσιάζονται προοπτικές για περαιτέρω έρευνα. Ειδικότερα: Παρασκευάστηκαν σύνθετες ηλεκτρολυτικές επικαλύψεις Ni/μίγματος φουλερενίων (μίγμα C60, C70 και ανώτερων φουλερενίων), πάνω σε ορειχάλκινα υποστρώματα. Σε όλα τα πειράματα που διενεργήθηκαν διατηρήθηκε σταθερή η θερμοκρασία του ηλεκτρολυτικού λουτρού στους 50 οC, το pH στην τιμή 4,4 ενώ στο ηλεκτρολυτικό λουτρό (τύπου Watts) δεν χρησιμοποιήθηκαν οργανικά πρόσθετα. Όσον αφορά στις συνθήκες πόλωσης της ηλεκτρολυτικής κυψελίδας, τα σύνθετα αποθέματα παρασκευάστηκαν υπό συνθήκες συνεχούς ρεύματος (DC). Τα σωματίδια του μίγματος φουλερενίων βρίσκονταν ομογενώς διασπαρμένα στο λουτρό της επιμετάλλωσης καθώς κατά την ηλεκτραπόθεση εφαρμόστηκε ισχυρή μαγνητική ανάδευση του λουτρού. Διατηρώντας σταθερές τις παραπάνω συνθήκες, μεταβλήθηκε η πυκνότητα ρεύματος, j, και η ταχύτητα περιστροφής της καθόδου, Ω, προκειμένου να μελετηθεί η επίδραση αυτών των παραμέτρων στην κρυσταλλική δομή των αποθεμάτων, στη μορφολογία των επιφανειών, στο ποσοστό συναπόθεσης των φουλερενίων αλλά και στη μικροσκληρότητα των επικαλύψεων. Συγκεκριμένα, με τη μέθοδο της περίθλασης ακτίνων-Χ προσδιορίστηκε ο εκλεκτικός προσανατολισμός και το μέσο μέγεθος των κρυσταλλιτών του νικελίου. Επακόλουθα, με την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης μελετήθηκε η μορφολογία της επιφάνειας των επικαλύψεων και σε συνδυασμό με τη χρήση φασματοσκοπίας διαχεόμενης ενέργειας, εκτιμήθηκε το ποσοστό ενσωμάτωσης των σωματιδίων στη μεταλλική μήτρα. Ο προσδιορισμός της μικροσκληρότητας των σύνθετων ηλεκτρολυτικών επικαλύψεων επιτεύχθηκε με τη μέθοδο Vickers σε συσκευή μικροσκληρόμετρου. Από τις μετρήσεις και τα αποτελέσματα κατά το χαρακτηρισμό των αποθεμάτων διαπιστώθηκε αρχικά ότι η συναπόθεση των προστιθέμενων σωματιδίων του μίγματος φουλερενίων στη μήτρα του νικελίου ήταν επιτυχής. Τα σωματίδια συναποτίθενται σε ποσοστά που ποικίλουν ανάλογα με τις εφαρμοζόμενες συνθήκες ηλεκτρόλυσης και τις υδροδυναμικές συνθήκες που δημιουργούνται εντός του ηλεκτρολυτικού λουτρού, επιβάλλοντας την επικράτηση υψηλά παρεμποδιζόμενων προσανατολισμών των κρυστάλλων του μετάλλου. Επιπλέον, τα σύνθετα αποθέματα εμφανίζουν μεγαλύτερη μικροσκληρότητα σε σχέση με τα απλά αποθέματα νικελίου που έχουν παρασκευαστεί σε ίδιες συνθήκες ηλεκτρόλυσης, και συγκεκριμένα, υψηλότερες τιμές μικροσκληρότητας επιτυγχάνονται με την εφαρμογή μεγαλύτερης πυκνότητας ρεύματος.	el
heal.abstract	The electrolytic deposition (electrodeposition) of metals is the most widely used method for industrial plating, due to the ease of application and the ability to produce deposits with predetermined properties, simply by altering the operating conditions. Nickel is found in many applications as a metal surface coating, and therefore, nickel plating is a typical, and with particular commercial importance, case of electroplating, which has been studied in detail. Nickel plating is used for the aesthetic improvement of various objects, corrosion protection, repair of damaged machinery parts, etc. One of the basic advantages of nickel electroplating is the large number of plating baths that can be used and the wide variety of nickel deposits obtained with the selection of the appropriate electrolysis conditions. The technique of metal electrodeposition additionally allows the production of composite coatings, which can be very difficult or even impossible to produce with other techniques. The electrolytic codeposition, as it is called, has been the subject of research and in parallel has been applied in industry for decades. During electrolytic codeposition, inert particles, which are homogeneously dispersed in the plating bath, are incorporated into the metal matrix. The composite metal electrolytic coatings obtained by this process are composite materials and are included in particular in the class of metal matrix composites (MMCs). In general, composite materials have the great advantage of combining the properties of their ingredients, thus their final properties are new and improved, different from those possessed when the starting materials are used individually. The electrolytic codeposition of inert particles as reinforcement within the metal matrix has been shown to result in the manufacturing of technologically advanced composites, with improved - compared with simple coatings - properties, capable of meeting the necessary requirements and obtaining the desired functional characteristics for each application. The development of this technology is aimed mainly at improving the mechanical, tribological and corrosion behavior of the metal deposits. Composite metal electrolytic coatings find increasing application in industry, especially in automotive, aerospace, shipbuilding and industrial production of integrated circuits. The crystallographic orientation and hence the properties of the composite electrolytic deposits are affected by a large number of parameters, the most important of which are: a) the composition of the electroplating bath and the possible presence of additives, b) the applied electroplating conditions and the type of current passing through the electrolytic cell, c) the interaction of the reinforcement with the metal matrix and mainly the characteristics of the particles. The electrolytic production of nickel matrix composite coatings and the effect of the parameters referred above have been extensively studied, particularly when the dispersed phase consists of ceramic particles. In the present diploma thesis, however, it was considered interesting to investigate the possibility of codeposition of fullerenes in the nickel matrix, as well as the effect of applied electrolysis conditions on the microstructure and the properties of the composite deposits. Fullerenes are a class of carbon allotropes, discovered in 1985. They consist of a combination of five- and six- membered rings, formed by carbon atoms. Thus, the molecule takes the form of a hollow convex polyhedron. The most widely used synthesis method is sublimation of graphite, after laser or electric arc irradiation. The fullerene structure can be modified with various processes and reactions resulting in the production of many derivatives, such as endohedral or exohedral fullerenes, hetero- fullerenes etc. Fullerene modification changes and improves certain properties, for example their solubility, enabling their utilization in numerous applications. Due to their unique properties, since their discovery, fullerenes, modified fullerenes and their derivatives have been widely studied and have been used in many scientific fields, in technological, opto-electronic, biotechnological and medical applications, as well as in the development of new materials. Their behavior as a reinforcement in composite materials has also been tested. Nevertheless, the system Ni/fullerene is poorly studied in the literature. The thesis is divided into three distinct parts. The first, theoretical, part contains general information about the crystalline structure of metals, nickel and composite materials, while special emphasis is given on the structure, properties and applications of fullerenes. This part also aims at understanding the basic principles of electroplating, for the preparation of both simple and composite deposits. Correspondingly, in the second, experimental part, initially, the experimental device used and the procedure followed for the preparation of Ni/fullerene mixture deposits are described. Next, the basic principles of the characterization methods are analyzed and the results are presented and discussed. In the third and final part the conclusions of this work are summarized and perspectives for further research are presented. Especially: Ni/fullerene mixture (mixture of C60, C70 and higher fullerenes) composite electrolytic coatings were prepared, on brass substrates. In all experiments performed the temperature and the pH of the electrolytic bath were kept constant and equal to 50 °C and 4.4, respectively, while the electrolytic bath (Watts type) was additive-free. Regarding the polarization conditions of the electrolytic cell, the composite deposits were prepared with the application of direct current (DC). The mixed fullerene particles were homogeneously dispersed in the plating bath, as, during electrodeposition, strong magnetic stirring of the bath was applied. Keeping the above conditions constant, the current density, j, and the cathode rotation velocity, Ω, were varied, in order to study the effect of these parameters on the crystal structure of the deposits, the morphology of the surfaces, the fullerene incorporation rate and the microhardness of the coatings. Specifically, the texture and average crystallite size of nickel crystals were determined by X-Ray Diffraction. Subsequently, the surface morphology of the coatings was studied by Scanning Electron Microscopy (SEM), while the particle incorporation percentage in the metal matrix was estimated by the combination of SEM and Energy Dispersive X-ray analysis. The microhardness of the composite electrolytic coatings was determined by the Vickers method, with the use of a microhardness tester. From the measurements and results during the characterization of the deposits, it was initially found that the codeposition of the added mixed fullerene particles in the nickel matrix was successful. The rates of the codeposited particles vary, depending on the applied electrolysis conditions and the hydrodynamic conditions generated within the electrolytic bath. The incorporated particles impose the predominance of highly inhibited orientations of the crystals of the metal. Furthermore, the microhardness of composite coatings is greater compared to pure nickel deposits, produced in the same electrolysis conditions and it was specifically found that the higher values of microhardness were achieved by applying higher current density.	en
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χαμηλάκης, Στυλιανός	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτενχείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών. Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	187 σ.
heal.fullTextAvailability	true