Композиционные электрохимические покрытия (КЭП)

КМ – многокомпонентные материалы, состоят из основы-матрицы (полимеры, металлы, углероды, керамика и другое) и дисперсной фазы – ДФ (волокна, нитевидные кристаллы, тонкодисперсные частицы и другое). Изображение некоторых видов КМ с ДФ из непрерывных и дискретных волокон (а, в), полидисперсных частиц (б) приведено на схеме:

ДФ воспринимает дополнительную долю нагрузки на материал, модифицирует его механические, теплофизические, фрикционные, магнитные, электро- и радиотехнические свойства. По своей природе вещества ДФ (в технических КМ их иногда отмечают как наполнители) могут быть органическими (полимерные) и неорганическими (углерод, металлы, стекла, карбиды, нитриды и другие). Матрица обеспечивает монолитность материала, передачу и распределение напряжений между фазами, определяет герметичность, тепло-, влаго-, огне- и химическую стойкость КМ. Преимущества КМ перед мономатериалами – большая механическая прочность, повышенная коррозионная стойкость, меньшая плотность, комплекс новых химических и/или физических свойств, каталитическая активность, проявление электропроводимости у пластиков, декоративные качества.

Макрокомпозиционные материалы известны давно: в технике – гетерофазные металлические сплавы (чугун, сталь, сверхтвердый сплав кобальт-карбид вольфрама и другие), цементы и бетоны, пластмассы, упроченные порошкообразными веществами, волокнами или тканью, сплав медь-оксид алюминия, ситаллы (частично закристаллизованные стекла); в природе – гранит, опалы, древесина и другие пористые материалы. КЭП принципиально отличаются от макрокомпозиционных материалов тем, что наносятся на поверхность изделий в виде тонких металл-матричных слоев (от долей до нескольких десятков микрометров) электрохимическим путем из растворов или расплавов электролитов, содержащих нерастворимые и труднорастворимые вещества в высокодисперсном состоянии (частицы, волокна и монокристаллические «усы» микро- и субмикроразмеров). Матрицей являются электроосаждаемые металлы (никель, медь, серебро, золото и другие). Электролиты-суспензии содержат ДФ (углерод, бор, кремний, оксиды алюминия, циркония, оксиды и карбиды кремния, хрома) с концентрацией от 1до 500 г/л и размерами частиц от 5–10 нанометров до 0,5–5 микрометров. Электроосаждаемый на катоде металл или образующаяся на аноде защитная пленка из продуктов анодного окисления (например, оксид алюминия) захватывают частицы ДФ с образованием композиционного (гетерофазного) покрытия. Микротолщина покрытия и высокая дисперсность включений открыли новые возможности в модифицировании поверхности изделий машиностроенияния, приборостроения, электронной, электротехнической и других отраслей промышленности.

Впервые в СССР научное и практическое направление по созданию КЭП получило развитие (одновременно с работами за рубежом) в 1960-е гг. в Казанском технологическом университете (Р.С.Сайфуллин с сотрудниками); в дальнейшем исследования были продолжены в казанском авиационном, медицинском и сельскохозяйственном институтах, в различных научных центрах страны (городах Вильнюс, Донецк, Киев, Кишинев, Красноярск, Москва, Новочеркасск, Тюмень и других).

Казанскими учеными исследованы и разработаны покрытия, в которых частицы графита или дисульфида молибдена, включаясь при особых условиях в тонкие слои из никеля, меди, серебра или других металлов, придают им свойства самосмазываемости, соосажденные частицы канифоли – легкую паяемость, частицы оксидов – повышенную износо- и коррозионную стойкость. Предложены КЭП с матрицами из более чем десяти электроосаждаемых металлов и ДФ из тугоплавких порошков бора, кремния, углерода, некоторых оксидов и карбидов, обладающие более высокой, чем классические гальванические покрытия, антикоррозионной, термо- и износостойкостью. Выявлено, что соосаждение определенных видов частиц на электрических контактах с серебром или золотом намного увеличивает срок эксплуатации изделий при более тонких слоях покрытий, чем монометаллические, позволяет экономить дорогостоящие металлы на предприятиях электронной промышленности. Соосаждением коллоидных частиц некоторых гидратированных оксидов металлов с серебром получены покрытия, стойкие к потускнению. Для исследования и формирования КЭП использованы нестационарные электрические режимы, современные физические методы анализа (И.А.Абдуллин, И.М.Валеев). Созданы покрытия, стойкие к высокотемпературной коррозии (И.Г.Хабибуллин). Разрабатывается новое поколение КЭП, основанное на применении частиц ДФ нанометровых размеров, позволяющих улучшить качество покрытий и расширить область их применения (Р.С.Сайфуллин и другие). Научные разработки внедрены в научно-производственном объединении «Элекон» (главный металлург П.С.Мельников), акционерном обществе «Органический синтез», производственном объединении «Теплоконтроль», на заводе синтетического каучука имени С.М.Кирова, предприятиях машиностроения в городах Тольятти, Харьков, Кишинев и других. Работы по совершенствованию, интенсификации процессов получения и модификации свойств КЭП ведутся в Казанском технологическом и медицинском университетах, Казанской сельскохозяйственной академии.

Сайфуллин Р.С. Неорганические композиционные материалы. Москва, 1983.

Сайфуллин Р.С. Комбинированные электрохимические покрытия и материалы. Москва, 1990.

Сайфуллин Р.С., Абдуллин И.А. Композиционные электрохимические покрытия. Современные исследования казанских ученых // Российский химический журнал. 1999. Том 43, № 3–4.

Автор – Р.С.Сайфуллин