Композиционные покрытия на основе Ni-P матрицы с широким спектром функциональных свойств Субакова Ильзира Рашидовна

Введение к работе

Актуальность работы. Никель-фосфорные покрытия находят широкое применение в различных отраслях промышленности. Эти покрытия часто используются для придания изделиям функциональных и защитно-декоративных свойств, увеличения коррозионной стойкости и твердости. Кроме того, они являются эффективными катализаторами реакции выделения водорода (РВВ), активность которых, в первую очередь, определяется составом и структурой.

Включение частиц TiO₂, карбидов переходных металлов и углеродных нанотрубок в NiP матрицу в процессе химического осаждения позволяет получать композиционные покрытия, обладающие рядом ценных функциональных свойств: повышенной износостойкостью, микротвердостью, коррозионной стойкостью, самосмазывающейся способностью, каталитической активностью в РВВ и фотокаталитической активностью в сравнении с исходными Ni-P покрытиями.

Несмотря на большое количество публикаций, требуется систематизация данных по влиянию различных факторов, включая размеры частиц дисперсной фазы, их концентрации в растворе никелирования и др., на функциональные свойства Ni-P покрытий и композиционных покрытий на их основе. Кроме того, остается недостаточно освещенным ряд существенных вопросов, касающихся каталитической активности покрытий в РВВ и механизма РВВ на Ni-P покрытиях, в том числе их наводороживание в ходе катодной поляризации.

Целью работы являлось установление механизма РВВ на Ni-P покрытиях с различным содержанием фосфора, полученных методом химического осаждения, получение Ni-P покрытий с добавками частиц различной природы (частиц TiO₂, углеродных нанотрубок и карбидов переходных металлов) и установление взаимосвязи между составом, структурой и функциональными свойствами композиционных покрытий.

В рамках работы решались следующие задачи:

1. Установление механизма РВВ на Ni-P покрытиях с различным содержанием фосфора в кислой и щелочной средах.

2. Установление влияния включений частиц TiO₂ (частиц TiO₂ производства Evonic--Degussa и частиц золя TiO₂), многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ и гидроксилированных МУНТ-ОН) и карбидов переходных металлов (NbC, TiC, TaC) на

активность Ni-P покрытий в РВВ в кислой и щелочной средах, их водородаккумулирующую способность, а также коррозионную стойкость и физико-механические свойства.

Научная новизна

3. Методом поляризационных кривых и импедансной спектроскопии, установлено, что РВВ на Ni-P покрытиях с различным содержанием фосфора в кислых сульфатных средах протекает по маршруту Фольмера – Гейровского. Рассчитанные кинетические параметры, в частности константы скоростей и коэффициенты переноса, стадий РВВ на Ni-P покрытиях позволяют утверждать, что скорость РВВ определяется скоростью реакции Гейровского.

4. Установлено, что высокая каталитическая активность Ni-P покрытий (_P=8,0 %) в РВВ в кислой среде, высокая водородаккумулирующая способность обусловлены наличием двухфазной структуры и увеличением истинной поверхности покрытий в ходе катодной поляризации (КП). Наводороживание Ni-P покрытий (_P=8,0 %) в кислой среде также приводит к повышению их «истинной» твердости и снижению упругого сопротивления.

5. Установлено, что включение частиц TiO₂ (частиц TiO₂ производства Evonic-Degussa и частиц золя TiO₂), многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ и гидроксилированных МУНТ-ОН) и карбидов переходных металлов (NbC, TiC, TaC) в Ni-P покрытия, наряду с ускорением протекания РВВ в кислой и щелочной средах из-за включения частиц в покрытия, повышает их коррозионную стойкость в кислых сульфатных средах, поскольку препятствует ускоренному растравливанию поверхности покрытий, и улучшает их физико-механические свойства.

Практическая значимость

Высокая водородаккумулирующая способность и каталитическая активность Ni-P покрытий с содержанием фосфора 8,0 мас. % позволяет рекомендовать их в качестве эффективных катодных материалов в РВВ.

На основании отработанных методик получения композиционных покрытий на основе Ni-P матрицы с включениями частиц TiO₂, углеродных нанотрубок, карбидов переходных металлов можно сформулировать рекомендации по получению покрытий с заданными функциональными свойствами: микротвердостью, шероховатостью, каталитической активностью и коррозионной стойкостью.

Положения, выносимые на защиту:

Результаты изучения механических свойств, коррозионно-электрохимического поведения и каталитической активности в РВВ Ni-P покрытий и композиционных покрытий на их основе с включениями частиц TiO₂, углеродных нанотрубок, карбидов переходных металлов.

Механизм РВВ на Ni-P покрытиях.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной конференции «Химия под знаком Сигма: исследования, инновации, технологии» (Казань, 2012); VI Всероссийской конференции «Физико-химические процессы в конденсированных средах и на межфазных границах – ФАГРАН-2012» (Воронеж, 2012); II Всероссийской научной школе-конференции молодых ученых «Катализ: от науки к промышленности» (Томск, 2012); Международном российско-казахстанском семинаре «Проблемы современной электрохимии и коррозии металлов» (Тамбов, 2013); VIII Всероссийской конференции с международным участием молодых ученых по химии «Менделеев-2014»; International Conference on Surface Engineering for Research and Industrial Applications «INTERFINISH-SERIA 2014» (Novosibirsk, 2014).

Исследования по теме выполнялись в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ (НИР № 3.3456.2011) «Разработка научных основ осаждения Ni-P покрытий и композиционных материалов на их основе с широким спектром функциональных свойств», а также при финансовой поддержке УМНИК (договор (соглашение) № 2257ГУ1/2014 (0004114)).

Публикации. Содержание диссертации отражено в 11 печатных работах, в том числе в 7 статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы. Работа изложена на 165 страницах, включая 92 рисунка, 40 таблиц и список литературы из 163 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю признательность к.х.н., доценту В.И. Кичигину за обсуждение результатов измерений импедансной спектроскопии и к.х.н. Н.А. Медведевой за помощь в проведении измерений размеров частиц методом фотонно-корреляционной спектроскопии и электрокинетических характеристик частиц и покрытий.