دانلود پایان نامه - تحقیق - پروژه

دکتر کیوان رئیسی

 

دکتر فخرالدین اشرفی­زاده 

 

 

 

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

 

 

 

 

 

فهرست مطالب

 

عنوان                                                                                                   صفحه

 

فهرست مطالب هشت

 

چکیده ۱

 

فصل اول: مقدمه

 

فصل دوم: مروری بر منابع

 

۲-۱ معرفی و تاریخچه. ۴

 

۲-۲ ترشوندگی سطوح جامد و اهمیت آن. ۵

 

۲-۳ پارامترهای آبگریزی ۶

 

۲-۳-۱ زاویه تماس ظاهری ۶

 

۲-۳-۲ پسماند زاویه تماس. ۷

 

۲-۳-۳ زاویه لغزش ۷

 

۲-۴ مدل‌های ترشوندگی ۸

 

۲-۴-۱ مدل یانگ ۸

 

۲-۴-۲ مدل ونزل ۸

 

۲-۴-۳ مدل کاسی باکستر ۹

 

۲-۴-۴ حالت شبه پایدار کاسی ۱۰

 

۲-۴-۵ انتقال بین حالت ونزل و کاسی ۱۰

 

۲-۵ سطوح فوق آبگریز مصنوعی ۱۰

 

۲-۶ روش­های تهیه سطوح فوق آبگریز مصنوعی ۱۱

 

۲-۶-۱ زبر کردن مواد دارای سطح انرژی کم. ۱۱

 

۲-۶-۲ ایجاد زیرلایه زبر و اصلاح کردن آن با مواد با انرژی سطحی کم ۱۲

 

۲-۷ رفتار خوردگی پوشش­های فلزی فوق­آبگریز ۱۵

 

۲-۸ رسوب­دهی الکتریکی نیکل. ۱۷

 

۲-۹ کاربرد پوشش­های نیکل و آلیاژهای آن ۱۸

 

۲-۹-۱ کاربرد­های تزئینی. ۱۸

 

۲-۹-۲ کاربردهای عاملی ۱۸            

 

۲-۹-۳ کاربردهای الکتروفورمینگ. ۱۸

 

۲-۱۰ پوشش­دهی الکتریکی. ۱۹

 

۲-۱۱ محلول­های پوشش­دهی نیکل ۱۹

 

۲-۱۱-۱ محلول­های واتز ۱۹            

 

۲-۱۱-۲ محلول­های سولفامات. ۲۰

 

۲-۱۱-۳ محلول­های کلرید. ۲۰

 

۲-۱۱-۴ محلول­های سولفاته ۲۱

 

۲-۱۲ رسوب الکترولیتی فلز ۲۱

 

۲-۱۲-۱ رسوب­دهی الکتریکی با جریان مستقیم. ۲۱

 

۲-۱۲-۲ پوشش­دهی پالسی. ۲۱

 

۲-۱۲-۳ رسوب­دهی فلز القا شده با لیزر ۲۱

 

۲-۱۳ مکانیسم رسوب­دهی الکتریکی نیکل ۲۲

 

۲-۱۴ تاثیر پارامترهای الکتروشیمیایی بر خواص رسوبات الکتریکی ۲۳

 

۲-۱۴-۱ افزودنی­های حمام­های رسوب­دهی الکتریکی. ۲۴

 

۲-۱۴-۲ اثرات سطح زیرلایه. ۲۶

 

۲-۱۴-۳ پارامترهای موثر دیگر روی مورفولوژی رسوبات الکتریکی. ۲۷

 

۲-۱۵ رفتار الکتروشیمی و خوردگی نیکل ۲۷

 

۲-۱۶ جمع بندی ۳۴

 

فصل سوم: مواد و روش­ها

 

۳-۱ زیرلایه مورد استفاده. ۳۵

 

۳-۲ آماده­سازی سطح نمونه. ۳۵

 

۳-۳ حمام پوشش­دهی ۳۶

 

۳-۴ عملیات پوشش­دهی ۳۶

 

۳-۵ مطالعات مورفولوژی. ۳۶

 

۳-۶ اندازه ­گیری ضخامت پوشش ۳۷

 

۳-۷ بررسی توپوگرافی. ۳۷

 

۳-۸ مطالعات بافت پوشش­های ایجاد شده. ۳۷

 

۳-۹ اندازه گیری زاویه تماس پوشش­ها با آب. ۳۷

 

۳-۱۰ مطالعات الکتروشیمیایی ۳۷

 

۳-۱۱ مطالعات خوردگی الکتروشیمیایی. ۳۸

 

۳-۱۱-۱ پلاریزاسیون پتانسیودینامیک ۳۸

 

۳-۱۱-۲ طیف­سنجی امپدانس الکتروشیمیایی ۳۸

 

فصل چهارم: بحث و تحلیل یافته­ها

 

۴-۱ اثرات الکتروشیمیایی آمونیوم کلرید بر مکانیسم رسوب­دهی الکتریکی نیکل. ۳۹

 

۴-۱-۱ آزمون ولتامتری چرخه‌ای. ۴۰

 

۴-۱-۲ آزمون طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی. ۴۱

 

۴-۲ تأثیر غلظت آمونیوم کلرید روی مورفولوژی پوشش‌ها. ۴۳

 

۴-۳ اثر آمونیوم کلرید روی بافت نسبی پوشش­ها. ۴۷

 

۴-۴ رفتار ترشوندگی پوشش­های نیکل تهیه شده از حمام حاوی آمونیوم کلرید. ۴۸

 

۴-۵ مقاومت به خوردگی پوشش­های نیکل تهیه شده از حمام­های پوشش­دهی حاوی آمونیوم کلرید. ۵۰

 

۴-۵-۱ پلاریزاسیون پتانسیودینامیک ۵۰

 

۴-۶ طیف­سنجی امپدانس الکتروشیمیایی. ۵۲

 

۴-۷ عملکرد طولانی مدت پوشش­های نیکل حاصل از حمام حاوی آمونیوم کلرید در محلول خورنده. ۵۵

 

۴-۸ تأثیر غلظت آمونیوم کلرید روی مورفولوژی پوشش‌های نیکل ۶۰

 

۴-۹ رفتار ترشوندگی پوشش­های نیکل تهیه شده از حمام حاوی اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید ۶۲

 

۴-۱۰ رفتار خوردگی پوشش نیکل رسوب داده شده از حمام پوشش­دهی حاوی اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید ۶۳

 

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

 

۵-۱ نتیجه گیری ۶۷

 

۵-۲ پیشنهادات ۶۸

 

منابع و مراجع. ۶۹

 

چکیده

 

پوشش­های نیکل از حمام­های کلریدی حاوی مقادیر مختلف آمونیوم کلرید با روش رسوب­دهی الکتریکی دو مرحله­ای و بدون وقفه تهیه شدند. مورفولوژی، توپوگرافی و بافت پوشش­ها به ترتیب با بهره گرفتن از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پروفیلومتر کانفوکال و پراش­سنج اشعه ایکس (XRD) مطالعه شدند. تصاویر SEM نشان داد که پوشش حاصل از حمام پوشش­دهی فاقدآمونیوم کلرید دارای ساختار­های میکرو مخروطی هستند. افزودن آمونیوم کلرید به حمام پوشش­دهی باعث تشکیل ساختار­های مخروطی متقارن­تر، تیز تر و ظریف­تری شد و همچنین در حضور g. L^-1 200 آمونیوم کلرید، ساختار میکرو- نانو مخروطی یکنواخت­تری به دست آمد. تشکیل ساختار­های میکرو- نانو مخروطی شکل به وسیله تئوری “رشد توسط نابجایی­های پیچی” تحلیل شد. آنالیز XRD نشان داد که آمونیوم کلرید سبب تغییر جهت­گیری مرجح صفحات کریستالی پوشش از (۲۲۰) به (۱۱۱) می­شود. نقش آمونیوم کلرید با روش­های ولتامتری چرخه­ای و طیف­سنجی امپدانس الکتروشیمیایی مطالعه شد. نتایج نشان داد که آمونیوم کلرید با تشکیل کمپلکس­های نیکل- آمونیاک باعث افزایش مقاومت انتقال بار در فرایند رسوب­دهی الکتریکی نیکل می­شود و بنابراین از جوانه­زنی رسوبات نیکل ممانعت می­ کند. ترشوندگی پوشش­های نیکل با اندازه ­گیری زاویه تماس آن­ها با آب بررسی شد و مشاهده شد که پوشش­های تازه تهیه شده رفتار فوق­آبدوست دارند و با نگهداری آن­ها در هوا، زاویه تماس به طور تدریجی افزایش می­یابد و نهایتا بعد از ۲ هفته نگهداری در هوا، پوشش­ها فوق­آبگریز می­شوند. افزایش زاویه تماس در طول مدت نگهداری در هوا به جذب مواد آلی روی سطح پوشش­ها نسبت داده شد. زبری متوسط پوشش تهیه شده از حمام حاوی g. L^-1 200 آمونیوم کلرید بیشتر از پوشش­های دیگر بود، بنابراین طبق مدل ونزل این پوشش فوق­آبگریز تر از پوشش­های دیگر شد. مقاومت به خوردگی پوشش­ها با آزمون طیف­سنجی امپدانس الکتروشیمیایی به صورت غوطه­وری مدت­دار در محلول ۵/۳%  وزنی سدیم کلرید بررسی شد. نتایج نشان داد که خاصیت فوق­آبگریزی باعث افزایش به طور میانگین ۱۲ برابری مقاومت پلاریزاسیون پوشش­ها می­شود. با افزایش زمان غوطه­وری مقاومت پلاریزاسیون به طور تدریجی کاهش یافت که ناشی از کاهش خاصیت آبگریزی بود. بعد از حذف خاصیت آبگریزی، مقاومت پلاریزاسیون تمامی پوشش­ها شروع به افزایش چشمگیری کرد. این افزایش ناشی از تشکیل فیلم رویین در سطح پوشش­ها در اثر خوردگی در محلول خورنده بود. برای مطالعه دقیق­تر اثر اصلاح کننده کریستال، پوشش­های نیکل در حضور افزودنی دیگری با نام اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید با فرایند رسوب­دهی الکتریکی دو مرحله­ای تهیه شدند. تصاویر SEM نشان داد که پوشش­های نیکل حاصل، فاقد ساختار میکرو- نانو مخروطی مطلوب می­باشند. زبری پوشش­های تهیه شده کمتر از پوشش­های تهیه شده از حمام­های آمونیوم کلریدی بود، بنابراین با نگهداری در هوا پوشش­ها صرفاً آبگریز شدند. بررسی مقاومت به خوردگی این پوشش­ها نشان داد که خاصیت آبگریزی برخلاف فوق­آبگریزی اثر چندانی روی مقاومت به خوردگی ندارد. مقاومت پلاریزاسیون این پوشش­ها نیز با افزایش زمان غوطه­وری افزایش یافت اما میزان افزایش آن کمتر از میزان مشاهده شده در پوشش­های حاصل از حمام آمونیوم کلرید بود. نتایج شبیه­سازی داده­های امپدانس نشان داد که تجمع محصولات خوردگی و پلاگ شدن سطح باعث بهبود مقاومت به خوردگی شده است.

 

 

کلمات کلیدی: فوق­آبگریزی، نیکل، رسوب­دهی الکتریکی، آمونیوم کلرید، اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید.

 

۱٫      فصل اول
مقدمه

 

امروزه سطوح فوق­آبگریز با زاویه تماس بزرگ با آب (بزرگتر از °۱۵۰) به علت ویژگی­های منحصر به فردشان همچون خواص دفع آب، ضد رسوب، مقاومت بالا به خوردگی و خودتمیز شوندگی علاقه روز افزونی را به خود جلب کرده­اند. محققان تلاش کرده­اند که ویژگی­های سطوح طبیعی با خاصیت آب­گریزی را تقلید کنند که از جمله این سطوح، برگ نیلوفر آبی[۱] است. لازمه فوق آب­گریز بودن یک سطح، انرژی سطحی پایین و پیروی از الگوی زبری خاص در ابعاد میکرو و نانومتر است. دو مدل مشهور برای توصیف ترشوندگی سطوح، مدل ونزل[۲] و مدل کاسی- باکستر[۳] است. روش­های متنوعی برای ایجاد زبری و تولید سطوح­ فوق­آبگریز بکار رفته است که از جمله می­توان به اچ­کردن پلاسما، لیتوگرافی، اکسیداسیون آندی، سل ژل و رسوب­دهی الکتریکی اشاره نمود. اغلب روش­های مذکور پرهزینه هستند و به دلیل عملیات شیمیایی دشوار و فرایندهای چند مرحله­ای پیچیده به سادگی قابل استفاده در مقیاس­های صنعتی نمی باشند. در مقابل رسوب­دهی الکتریکی مزایایی نظیر آسان بودن، هزینه کم و شرایط کاری قابل کنترل برای تولید انبوه دارد. در سال­های اخیر، تحقیقات وسیعی روی ساخت سطوح فوق­آبگریز فلزی به روش رسوب­دهی الکتریکی صورت گرفته است. محققین مشاهده کردند که برای فوق­آبگریز شدن پوشش، مورفولوژی پوشش باید به صورت ساختار سلسله مراتبی میکرو- نانو باشد. همچنین مشخص شد که مورفولوژی سطوح به شدت به شرایط پوشش­دهی از جمله چگالی جریان، مدت زمان الکترولیز، pH ، دما و ترکیب حمام پوشش­دهی بستگی دارد. برای ایجاد ساختار سلسله مراتبی مناسب به افزودن ترکیبات معینی به حمام پوشش­دهی نیاز است که این افزودنی­ها، اصلاح کننده کریستال نامیده می­شود. برای تهیه پوشش­های نیکل با مورفولوژی سلسله مراتبی اغلب از اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید و به ندرت از آمونیوم کلرید استفاده شده است. تحقیقات انجام شده روی اثر اتیلن­دی­آمونیوم دی­کلرید نشان می­دهد که غلظت افزودنی روی مورفولوژی پوشش تاثیر قابل ملاحظه­ای دارد. مکانیسم افزودنی­های مذکور در فرایند رسوب­دهی الکتریکی مشخص نشده است و در تعداد کمی از تحقیقات تئوری­های رشد برای تشکیل ساختارهای سلسله مراتبی پیشنهاد شده است. انرژی سطحی کم پارامتر مهم دیگر برای ایجاد خاصیت فوق­آبگریزی است. عموماً سطوح فلزی با انرژی سطحی بالا به طور ذاتی آب دوست می­باشند، بنابراین برای ایجاد خاصیت فوق­آبگریزی روی فلزات نیاز به اصلاح سطح با مواد دارای انرژی سطحی کم است. بدین منظور در بیشتر موارد از مواد آلی کاهنده انرژی سطحی استفاده می­شود. در تحقیقات اخیر مشاهده شده است که پوشش­ها با مورفولوژی زبر مناسب با نگهداری در هوا فوق­آبگریز می­شوند. محققین مکانیسم­های متعددی برای این رخداد پیشنهاد کردند و توافقی در مورد مکانیسم افزایش زاویه تماس با زمان وجود ندارد.

 

با توجه به اینکه نقش اصلاح کننده کریستال در فرایند رسوب­دهی الکتریکی و ایجاد ساختار سلسله مراتبی مشخص نیست و پژوهش­های انتشار یافته­ای در این زمینه وجود ندارد، هدف از این تحقیق بررسی مکانیسم اصلاح کننده کریستال در فرایند رسوب­دهی الکتریکی می­باشد. همچنین تاثیر مقادیر مختلف اصلاح کننده کریستال روی میکروساختار از جمله مورفولوژی، توپوگرافی و بافت ، رفتار ترشوندگی و مقاومت به خوردگی پوشش­های نیکل بررسی می­شود.

 

این پایان نامه در پنج فصل تنظیم شده است. ابتدا در فصل دوم این پایان نامه مروری بر منابع صورت گرفته سپس در فصل سوم چگونگی انجام آزمون­ها و مواد و روش تحقیق آورده شده است. نتایج به دست آمده در فصل چهارم مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند و نهایتاً در فصل پنجم نتیجه گیری و پیشنهادات ارائه شده است.

 

۲٫      فصل دوم
مروری بر منابع

 

۲-۱         معرفی و تاریخچه

 

بیش از ۲۰۰۰ سال پیش مشاهده شد که برخی از گیاهان دارای خاصیت خود­تمیز­شوندگی می باشند که به عنوان عامل نجات­بخش گیاه در محیط­های آلوده عمل می­ کند. نیلوفر آبی، نمونه معروفی از این نوع گیاهان می­باشدکه معمولا در مرداب­ها و آب­های سطحی در شرق آسیا وشرق آمریکای شمالی رشد می­ کند. مکانیسم ظهور این خاصیت به صورت راز باقی ماند تا زمانی که پیشرفت میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در اواسط دهه ۱۹۶۰ میلادی صورت گرفت. مطالعات روی اکثر برگ­های گیاهان طبیعی در طول دهه گذشته آشکار کرد که سطح صاف ماکروسکوپی معمولا از زبری­های میکروسکوپی با مقیاس­های طولی مختلف تشکیل شده است و ساختار میکرو– نانوی سطح به همراه واکس اپیکیوتیکیولار باعث آبگریزی می­شود. این کشف به عنوان یک پیشرفت بزرگ در زمینه فوق­آبگریزی برای ساخت این سطوح به تقلید از طبیعت در نظر گرفته می­شود. علاوه­بر­این در سال ۲۰۰۷ میلادی به دو نوع میکرو ساختار سطحی عمده در برگ­های گیاهان با خاصیت فوق­آبگریزی پی برده شد که یکی ساختار سلسله مراتبی میکرو– نانو و دیگری ساختار میکرو الیاف است. این یک کشف حیاتی بود و به عنوان نقطه آغازی برای توسعه روش­های ساخت سطوح فوق­آبگریز به تقلید از سطوح فوق­آبگریز طبیعی محسوب می­شود. شکل ‏۲‑۱، الف و ب به ترتیب تصاویر SEM برگ نیلوفر­آبی با بزرگنمایی کم و زیاد است. همان­طور که مشاهده می­شود سطح برگ نیلوفر­آبی به طور یکنواخت با برآمدگی­ها و فرورفتگی­های ۳- ۱۰ میکرومتری بافت­دار شده است و این ساختار با مواد مومی آبگریز به اندازه ۳۰- ۱۰۰ نانومتری آراسته شده است. اعتقاد بر­این است که مشارکت این سلسله ساختار سطحی و مواد موم- مانند آبگریز دلیلی بر فوق­آبگریزی، یعنی زاویه تماسی حدود °۱۶۲ می­باشد [۱].

 

 

شکل ‏۲‑۱ تصاویر سطوح فوق­آب­گریز با ساختار سلسله مراتب، الف و ب به ترتیب تصاویر SEM برگ نیلوفر­آبی با بزرگنمایی کم و زیاد، ضمیمه شکل (ب) زاویه تماسی سطح با آب در حدود °۱۶۲ [۱].

شکل ‏۲‑۲، تصاویر سطوح فوق­آبگریز طبیعی با ساختار میکرو الیاف را نشان می­دهد. شکل ‏۲‑۲، الف و ب مربوط به تصاویر SEM پشت برگ رامعی[۷] را با زاویه تماس °۱۵۹ است. طبق شکل مذکور، شمار زیادی الیاف­های کاملا نرم با قطر ۱-۲ میکرومتر به طور یکنواخت روی سطح توزیع شده ­اند و ساختار واحدی را تشکیل داده­اند [۱].

 

 

شکل ‏۲‑۲ تصاویر SEM سطوح فوق­آبگریز طبیعی با ساختار میکرو الیاف. الف و ب تصاویر SEM پشت برگ رامعی با بزرگنمایی به ترتیب کم و زیاد و ضمیمه شکل ب زاویه تماس سطح با آب در حدود °۱۶۴ [۱].

۲-۲        ترشوندگی سطوح جامد و اهمیت آن

 

ترشوندگی سطح جامد جزء ویژگی­های مهم آن می­باشد، چون کنترل ترشوندگی در بیشتر کاربرد­های عملی بسیار سخت است. بیان مستقیم این ویژگی به وسیله زاویه تماس[۸] (CA) با سطح می­باشد. سطوح با زاویه تماس بزرگتر از °۱۵۰، فوق­آبگریز نامیده می­شوند. این سطوح به دلیل ویژگی­هایی همچون ضد چسبندگی، ضد آلودگی و خود­تمیزشوندگی مورد توجه ویژه قرار دارند. این­ها ویژگی­های مطلوب برای کاربردهای صنعتی و زیستی همچون رنگ­های ضد لک برای قایق­ها، ضد چسبندگی برف به آنتن­ها و پنجره­ها، خود­تمیزشوندگی شیشه اتومبیل، پالایش فلز، پارچه­های ضد لک و پوشش­های معماری ضد گرد و غبار به شمار می­آیند [۲].

 

مواد با سطح انرژی کم، برای مثال سطح با گروه­های فشرده شش وجهی _۳-CF، زاویه تماس °۱۲۰ با آب دارند. این سطوح به آسانی پاک می­شوند، اما ویژگی خود تمیزشوندگی ندارند. اما قطرات آب روی سطوح فوق­آبگریز طبیعی همچون برگ نیلوفرآبی به آسانی می­لغزد، بنابراین به عنوان حذف کننده آلودگی­ها عمل می­ کنند. مکانیسم خود تمیزشوندگی برگ نیلوفرآبی مطالعه شده است. در فصل مشترک سیال چسبناک و سطح جامد، معمولا وضعیت مرز غیرلغزشی حکمفرماست. لغزش روی مرز در مقیاس چند ده نانومتری رخ می­دهد که در مقیاس ماکروسکوپی محسوس نمی­باشد. به هر حال، وقتی قطره­ای روی سطح فوق­آبگریز زبر کج شده به سمت پایین حرکت می­ کند، لغزش ماکروسکوپی موثر روی مقیاس سازگار با ویژگی سطح رخ می­دهد. قطره آب در حال لغزش روی برگ نیلوفر آبی مانند توپ الاستیک رفتار می­ کند نه یک سیال. در مورد سطح ­آبگریز معمول، به دلیل این­که وضعیت مرز غیرلغزشی قطرات آب در امتداد ذرات آلوده کننده قرار می­گیرند، این ذرات عمدتا در کناره­های قطرات قرار می­ گیرند و پشت قطره دوباره رسوب می­ کنند (شکل ‏۲‑۳، الف). در مورد سطوح زبر دافع آب، فصل مشترک آب– جامد به کمترین حد می­رسد. آب، قطرات کروی تشکیل می­دهد و ذرات از سطح جمع می­شوند (شکل ‏۲‑۳، ب). لغزش قطرات آب و جمع شدن ذرات آلودگی از سطح برگ نیلوفر آبی، به اثر لوتوس[۹] معروف است [۲].