ВЛИЯНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ НА ПРОЦЕСС ЭЛЕКТРОКРИСТАЛЛИЗАЦИИ ПОРОШКОВ МЕДИ

THE INFLUENCE OF ACOUSTIC VIBRATION ON THE PROCESS OF COPPER ELECTROCRYSTALLIZATION

Еvgeni Bublikov

 сandidate  of.  Sciences, assistant professor of Don State Technical University,

 Russia, Rostov-on-Don

Nicolai Miryushchenko

master, of South Russian State Polytechnic University,

Russia, Novocherkassk

Angelina  Dotsenko

student, EMF21, of Don State Technical University

Russia, Rostov on Don

АННОТАЦИЯ

Рассмотрено влияние акустических колебаний при электро­кристаллизации порошков меди на деполяризацию катода. Величина деполяризации катодного процесса на колеблющемся электроде больше при перпендикулярно направленных колебаниях, и с увеличением амплитуды колебаний деполяризация возрастает.

ABSTRACT

The effect of acoustic oscillations in the electro crystallization of copper powders on the depolarization of a cathode is considered. The depolarization of the cathode process on the oscillating electrode is greater for perpendicularly directed oscillations. As the amplitude of the oscillations increases, the depolarization increases.

Ключевые слова: электролиз, акустические колебания, деполяризация.

Keywords: electrolysis, acoustic oscillations, depolarization.

В настоящее время механизм образования катодных рыхлых осадков изучен недостаточно, что не позволяет получать порошки металлов заданных размеров, в том числе наноразмеров.

Образование рыхлых осадков связано с достижением предельной плотности тока на катоде. Характерная для порошков, получаемых электрохимическим осаждением, дендритная форма частиц обусловлена тем, что кристаллы растут в условиях недостатка подвода разряжающихся ионов. При этом потенциал боковых граней растущего кристалла достигает величины, при которой могут начать образоваться новые кристаллические зародыши [1].

По мере того, как частицы растут вглубь раствора, катодная поляризация частиц определяется как диффузионными ограничениями, так и активационными факторами. Вклад этих факторов определяется природой осаждаемого металла и составом электролита [2].

Влияние акустических колебаний на условия электрокристал­лизации установлено в поле стоячих волн, и с применением колебаний низких частот.

Таким образом, акустические колебания являются эффективным средством воздействия на процесс электролиза, оказывающими влияние и на осаждающийся порошок. Одним из методов получения наночастиц меди является электролиз порошка с использованием виброкатода [3]. Для изучения закономерностей влияния акустических колебаний частотой 100 Гц на электроосаждение меди использовали вибрирующий катод. Катод в этих опытах перемещался перпендикулярно и параллельно поверхности электролита. Температура электролита 20⁰ С. На рисунке 1 представлены поляризационные кривые в случае выделения меди.

Кривая 1 соответствует осаждению на неподвижном катоде, и кривая 2 на вибрирующем. При осаждении меди без акустических колебаний предельная плотность тока наступает при 0,6 А/дм². Для процесса электроосаждения на колеблющемся катоде в тех же условиях, значение предельной плотности тока возрастает. Величина поляризации на вибрирующем катоде, так же как и на неподвижном, монотонно возрастает с увеличением плотности тока. При небольших плотностях тока, где преобладает химическая поляризация, перенапряже­ние одинаково как на неподвижном, так и на подвижном катоде.

Рисунок 1. Зависимость потенциала катода от плотности тока при осаждении меди: 1-на неподвижном катоде, 2-на вибрирующем катоде, А = 0,9 мм.

Лишь на плотности тока, выше 0,23 А/дм², ветви поляризационных кривых начинают расходится. Деполяризующее действие колебаний усиливается с увеличением плотности тока, и сказывается в основном при потенциалах, когда процесс на неподвижном электроде лимитируется концентрационными ограничениями. При плотности тока 0,5 А/дм², деполяризация при электроосаждении меди составляет 70 мВ, при высоких плотностях тока, которые близки к предельным, где концентрационная поляризация является лимитирующим процессом поляризации, звуковые колебания уменьшают катодную поляризацию. При низких плотностях тока, при которых процесс контролируется химической поляризацией, влияние акустических колебаний незаметно. Эти выводы подтверждает анализ зависимостей φ - lg i_k и φ - lg( 1 - ) построенных для электроосаждения меди. (Рис. 2, Рис. 3). При малых значениях плотности тока ложатся на прямую 1 для неподвижного катода, и на прямую 2 для вибрирующего. Прямая зависимость φ - lgi_k соответствует химической поляризации, а тангенс угла наклона прямой соответствует коэффициенту b уравнении Тафеля и равен 0.046.

Рисунок 2. Зависимости φ - lgik, построенные при электроосаждении меди: 1 - для неподвижного катода, 2 -для вибрирующего катода, А = 0,9 мм.

Одинаковый угол наклона прямых (Рис. 2.) показывает, что звуковые колебания оказывают незначительное влияние на величину химической поляризации. Некоторое смещение прямой 1 от прямой 2 можно связать со сдвигом потенциала без тока при воздействии акустических колебаний. Построение зависимости φ - lg( 1 - ) для электроосаждения медного порошка, позволяет сделать вывод, что для более высоких плотностей тока вблизи их предельных значений опытные точки, соответствующие неподвижному и подвижному катоду, так же хорошо укладываются на прямые, которые соответствуют концентраци­онной поляризации. Однако, прямая 1 и прямая 2 смещены на 150 мВ между собой по оси потенциалов. То есть, акустические колебания существенно влияют на величину концентрационной поляризации. Сопоставление полученных данных с результатами из [4] показало, что звуковые колебания неодинаково влияют на величину катодной поляризации при осаждении порошков различных металлов.

Наибольшей сдвиг потенциала в положительную сторону наблюдается при осаждении меди.

Исследовано влияние акустических колебаний (их амплитуды при частоте 100 Гц) на процесс электроосаждения медных порошков.

Рисунок 3. Зависимость φ - lg( 1- - ), построенная при электроосаждении меди: 1 – на неподвижном катоде, 2 – на вибрирующем катоде, А = 0,9 мм.

В гальваностатическом режиме измеряли величину потенциала, при увеличении амплитуды колебаний. Измерения проводились при плотностях тока 0,4 и 0,6 А/дм². Выбор этих значений соответствует предположению о том, что первая плотность тока соответствует значению потенциала, при котором в равной степени участвует и химическая часть поляризации, и концентрационная её часть. Второе же значение соответствует такой плотности тока, при которой больше превалирует концентрационная поляризация.

Результаты исследований представлены на рис. 4. Как видно из графиков, деполяризация с увеличением амплитуды возрастает. При малых значениях амплитуды звуковые колебания резко увеличивают деполяризацию частиц, а при увеличении амплитуды в большую сторону возрастание идет менее резко.

Рисунок 4. Зависимости деполяризации катода от величины амплитуды колебаний при осаждении меди: 1 - плотность тока 0,6 А/дм²; 2 - плотность тока 0,4 А/дм²; 3 - при перпендикулярно колеблющемся катоде; 4 - при параллельно колеблющемся катоде

Выводы.

1.  Величина деполяризации при электроосаждении зависит от природы разряжающихся ионов, от плотности тока, от направления распространения колебаний относительно поверхности катода и величины их амплитуды.

В акустическом поле, создаваемом непосредственно колеблющимся электродом, наибольшая величина деполяризации наблюдается при осаждении меди. Наибольший сдвиг потенциала в положительную сторону происходит при высоких плотностях тока, близких к его предельному значению. Величина деполяризации катодного процесса на колеблющемся электроде больше при перпендикулярно направленных колебаниях, чем при параллельно направленных колебаниях относи­тельно поверхности катода. С увеличением амплитуды колебаний деполяризация возрастает.

2.  Звуковые колебания частотой 100 Гц незначительно влияют на химическую поляризацию катодного восстановления меди, но снижают концентрационную поляризацию.

Список литературы:

1. Электрокристаллизация порошков металлов: монография / А.В. Бондаренко, Е.И. Бубликов, В.В. Коломиец и др.- Ростов н/Д: ДГТУ, 2013. - 121 с.
2. Ультрадисперсные наноразмерные порошки: создание, строение, производство и применение / под ред. акад. В.М. Бузника. - Томск: Изд-во HTЛ,2009. - 192 с.
3. Корчагина М.В, Науменко А.А., Липкин М.С. Закономерности получения электролитических порошков меди на виброкатоде и исследование их свойств. Вестник Донского Государственного технического университета. № 15, с. 3. 2015 г.
4. Гуревич Л.И., Помосов А.В.. Влияние природы катодной поверхности на структуру катодных осадков меди // Порошковая металлургия. 1973. № 2. С. 1-4.