Модифицирование никелевых покрытий углеродными нанотрубками разными методиками

УДК 539.2

МОДИФИЦИРОВАНИЕ НИКЕЛЕВЫХ ПОКРЫТИЙ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОТРУБКАМИ РАЗНЫМИ МЕТОДИКАМИ

© Ю.И. Головин, А.Г. Ткачев, Ю.В. Литовка, В.М. Васюков,

Р.А. Столяров, А.В. Шуклинов, Л.Е. Поляков, Е.Ю. Исаева

Ключевые слова: углеродные нанотрубки; твердость; нанокомпозиты; никелевые покрытия.

Разработана методика получения нанокомпозита №/углеродные нанотрубки (УНТ) методом прерывистого гальва-но-химического осаждения. Модификация УНТ покрытия вызывала изменение в его микроструктуре, в частности, уменьшился размер зерна. Твердость никелевого покрытия, модифицированного УНТ, на 10 % выше, чем у немо-дифицированного.

Никелевые покрытия, наносимые электроосаждением [1], имеют высокую коррозионную стойкость, но низкую твердость и износостойкость. Роста износостойкости никелевых гальванических покрытий можно добиться путем модифицирования их углеродными нанотрубками (УНТ), благодаря уникальным характеристикам УНТ (прочность — 100 ГПа, модуль Юнга ~ 1 ТПа) и их способности влиять на микроструктуру покрытия.

Целью данной работы являлась разработка методики получения гальванического никелевого покрытия, модифицированного углеродными нанотрубками, и исследование его механических свойств.

В качестве модификатора покрытия использовались многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ), представляющие собой «стопку чашек» («ламповых абажуров») по морфологической классификации форм. Диаметр МУНТ — 50 нм (рис. 1) [2, 3].

Рис. 1. а) - Изображения УНМ «ТАУНИТ», полученные с помощью растровой электронной микроскопии; б) - структура углеродных нанотрубок, выявленная просвечивающей электронной микроскопией

Рис. 2. РЭМ изображения микроструктуры никелевых покрытий при использовании чистого электролита

Рис. 3. а) Схема наноиндентирования никелевого покрытия; б) распределение твердости никеля по толщине покрытия при использовании чистого электролита

Рис. 4. SEM изображения: поверхности покрытия, немодифицированного (а) и модифицированного УНТ (б), полученные в сканирующем электронном микроскопе NEON 40 фирмы Carl Zeiss

Для получения покрытия применяли промышленный электролит Уотса (№БО4 - 255 г/л, №С12 - 67,5 г/л, НВО3 - 32 г/л) с добавлением УНТ, концентрацией 60 мг/л (первая методика). Катод был изготовлен из полированной медной пластинки. Плотность тока составляла 2 А/дм2. Время осаждения - 50 минут. Температура электролита - 293 К. Вследствие добавления УНТ в электролит микроструктура покрытия изменилась по сравнению с покрытием, полученным при использовании чистого электролита. Из рис. 2 видно, что зерна измельчились и вытянулись.

Измерение твердости проводили с помощью метода наноиндентирования на наноиндентометре О 200 [4]. Значение твердости никелевых покрытий оставалось величиной постоянной и не зависело от толщины покрытия. При добавлении углеродных нанотрубок в электролит (1 г/л) твердость никелевого покрытия, нанесенного на медную подложку, увеличивается на 20 % и составляет Н ~5,5±0,2 ГПа (рис. 3).

Вторая технология нанесения наноструктурирован-ного композиционного покрытия заключалась в методе прерывистого гальванического осаждения никеля из промышленного электролита Уотса. Введение нано-

трубок в покрытие проводили в момент прерывания гальванического осаждения. Тем самым добивались практически равномерного распределения нанотрубок по толщине покрытия. Их концентрация составляла всего несколько штук на мкм3 (~ 0,1 % от объема Ni). Покрытие получали толщиной ~ 10 мкм, а каждый его слой имел толщину ~ 200 нм. Средний размер кристаллитов Ni лежал в диапазоне от 800 до 100 нм (рис. 4). Измерения твердости проводили на моторизованном микротвердомере DM 8B AUTO при нагрузке 25 г.

Твердость никелевого покрытия, модифицированного УНТ, на 10 % выше, чем у немодифицированного. Средние значения твердости и размеров зерен никелевых покрытий представлены в табл. 1. Модификация УНТ никелевого покрытия вызывала изменение в его микроструктуре, в частности, уменьшился размер зерна.

Разработаны методики модифицирования углеродными нанотрубками никелевой матрицы посредством гальвано-химического осаждения и путем прерывания гальванического осаждения, которые обеспечили измельчение зерна и увеличение твердости покрытия на десятки процентов.

Таблица 1

Твердость и размер зерен никелевых покрытий

Покрытие Средний размер зерен, нм Твердость покрытия, ГПа

Никелевое покрытие, модифицированное 190 2,58 ± 0,04

углеродными нанотрубками

Никелевое покрытие 270 2,33 ± 0,02

ЛИТЕРАТУРА

1. Лукомский Ю.Я., Гамбург Ю.Д. Физико-химические основы электрохимии. Долгопрудный: Издат. дом «Интеллект», 2008. С. 424.

2. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. М.: Университетская книга; Логос, 2006. С. 376.

3. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. М.: Машиностроение-1, 2007. С. 316.

4. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. С. 356.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнялась при поддержке грантов «Carl Zeiss», Российского фонда фундаментальных исследований №07-02-00906а, программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» и приоритетной национальной программы «Образование».

Поступила в редакцию 20 ноября 2009 г.

Golovin Yu.I., Tkachev A.G., Litovka Yu.V., Vasyu-kov V.M., Stolyarov R.A., Shuklinov A.V., Polyakov L.E., Isaeva E.Yu. Modifying of nickel coverings with carbon nano-tubes using different techniques.

Technique of nanocomposite reception Ni / carbon nano-tube (CNT) is developed by a method of faltering galvanic-chemical sedimentation. Updating of CNT covering caused change in its microstructure, the size of grain, in particular, has decreased. Hardness of the nickel covering of the modified CNT is 10 % above than non-modified one.

Key words: carbon nano-tubes; hardness; nanocomposite; nickel coverings.

УДК 539.37:537.221

ОПРЕДЕЛЕНИЕ В НАНОШКАЛЕ ПРЕДЕЛА ТЕКУЧЕСТИ МОНОКРИСТАЛЛОВ PbWO4, ОаАз И КЕРАМИК НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ МЕТОДОМ НАНОИНДЕНТИРОВАНИЯ С МОДУЛИРОВАНИЕМ НАГРУЗКИ

© В.В. Коренков, С.С. Разливалова

Ключевые слова: наноиндентирование; предел текучести; нанотвердость.

В работе показано, что применение метода непрерывного измерения жесткости позволяет осуществить переход от измеряемого локального параметра (среднего контактного давления в отпечатке) к традиционному для механических испытаний материалов объемному параметру (предел текучести) и установить время-зависимый характер предела текучести в наношкале.

В свете развития современного физического наноматериаловедения исследование механических свойств твердых тел в микро- и наношкале является весьма актуальной задачей [1]. В настоящее время все большую популярность приобретает техника глубинночувствительного индентирования. В частности, метод непрерывного измерения контактной жесткости или CSM (Continuous Stiffness Measurement), который позволяет не только получать воспроизводимые результаты, но и с максимальной точностью определять механические характеристики материалов.

В данной работе исследован ряд материалов с высокой твердостью: монокристаллы PbWO4 и GaAs, а также керамики на основе ZrO2 с одинаковым процентным содержанием массовой доли Al2O3, но различным размером зерна. Целью работы являлось определение скоростной зависимости предела текучести при использовании метода непрерывного измерения контактной жесткости.

Рис. 1. Определение предела текучести при наноиндентирова-нии