دانلود پایان نامه ارشد : بررسی تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی فلزات مغناطیسی

2-9- مواد مغناطیسی سخت و نرم. 26

2-9-1- مواد مغناطیس سخت… 26

2-9-2- مواد مغناطیس نرم. 27

2-10- آبکاری نیکل.. 28

2-10-1- تاریخچه آبکاری الکتریکی.. 28

2-10-2- مشخصات پوشش نیکل.. 29

2-10-3-کاربردهای پوشش نیکل.. 30

2-10-4- حمامهای پوششدهی نیکل.. 31

2-11- آبکاری الکتریکی پالسی.. 33

2-11-1- انواع شکل های موج های جریان پالسی.. 34

2-11-2- مکانیزم. 36

2-11-3- مزایای روشهای پالسی و پالسی معکوس… 36

2-11-4- پارامترهای جریان پالسی و پالسی معکوس… 37

2-11-5- تاثیر جریان پالسی بر روی خواص رسوب.. 39

2-11-6- جریان پالسی و چرخهی کاری.. 40

2-11-7- جریان پالسی و مصرف انرژی.. 41

2-11-8- بررسی پارامترهای موثر بر خواص پوشش…. 41

2-11-9- انواع جریان (مستقیم، پالسی و معکوس) 41

2-11-10- تأثیر دانسیته جریان.. 43

2-11-11- مدت زمان پوشش دهی.. 44

2-11-12- دمای الکترولیت… 45

2-11-13- جنس کاتد. 46

2-11-14- افزودنی ها 46

2-11-14-1- انواع افزودنی ها 47

2-11-14-2- افزودنی های آنیونی.. 48

2-11-14-3- افزودنی های غیر یونی.. 48

2-11-14-4- افزودنی های کاتیونی.. 49

2-11-14-5- افزودنی های مورد استفاده در الکترولیز نیکل.. 49

2-11-15- تأثیر ترکیب شیمیایی حمام. 51

2-11-16- مکانیزمهای لایه نشانی.. 51

2-12- پوششهای نانوساختار. 53

2-13- آبکاری الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی.. 54

3- فصل سوم. 57

3-1- مقدمه. 58

3-2- تجهیزات و مواد مورد استفاده. 59

3-2-1- تجهیزات مورد استفاده. 59

3-2-1-1- کاتد. 59

3-2-1-2- آند. 60

3-2-1-3- پیل آبکاری.. 60

3-2-1-4- منبع تغذیه تولید جریان پالسی.. 61

3-2-1-5- مولتی متر دیجیتالی.. 61

3-2-1-6- اسیلوسکوپ.. 61

3-2-1-7- pH متر. 62

3-2-1-8- ترازوی دیجیتالی.. 62

3-2-1-9- همزن مغناطیسی.. 62

3-2-1-10- کنترل کننده دما (temperature controller) 62

3-2-1-11- دستگاه خشک کن.. 63

3-2-1-12- وسایل و تجهیزات متالوگرافی.. 63

3-2-1-13- وسایل اولیه آزمایشگاهی.. 63

3-2-2- مواد مورد استفاده. 63

3-3- آماده سازی.. 64

3-3-1- آند. 65

3-4- حمام آبکاری و انتخاب شرایط آبکاری پوشش نانوکریستالی نیکل.. 65

3-5- نحوهی بررسی خواص و ویژگیهای پوشش نانوساختاری نیکل.. 67

3-6- حمام آبکاری و انتخاب شرایط آبکاری پوشش نانوکریستالی مس…. 68

3-7- نحوهی بررسی خواص و ویژگیهای پوشش نانوساختاری مس…. 69

4- فصل چهارم. 70

4-1- پوششهای نانوساختاری نیکل و مس…. 71

4-2- بررسی تأثیر میدان مغناطیسی بر ساختار بلوری پوششهای نانوساختاری نیکل و مس 73

4-2-1- اطلاعات بهدست آمده از طیف XRD پوشش نیکل نانوساختاری در حضور میدان عمود بر سطح الکترودها 73

4-2-2- اطلاعات به دست آمده از طیف XRD پوشش نانوساختاری مس…. 75

4-3- مورفولوژی پوشش نانوکریستالی.. 78

4-3-1- بررسی و مقایسهی مورفولوژی پوشش نیکل نانوساختار در غیاب و حضور میدان مغناطیسی 78

4-3-2- بررسی و مقایسهی مورفولوژی پوشش مس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی 89

4-3-3- سختی پوششهای نانوکریستالی نیکل و مس…. 93

4-3-4- زبری پوشش نانوکریستالی نیکل و مس…. 96

4-4- بررسی خاصیت مغناطیسی.. 98

4-4-1- مقدمه. 98

4-4-2- اندازهگیری خواص مغناطیسی پوشش نیکل نانوساختار در غیاب میدان مغناطیسی 99

4-4-3- اندازهگیری خواص پوشش نیکل نانوساختار در حضور میدان مغناطیسی.. 101

5- فصل پنجم.. 105

5-1- نتیجه گیری.. 106

5-1-1- پوشش نانوساختاری نیکل در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 106

5-1-2- پوشش نانوساختاری مس در غیاب و حضور میدان مغناطیسی.. 107

5-2- پیشهادها 108

6- مراجع.. 109

1-1- مقدمه

یکی از روشهای تولید پوششهای نانوساختاری، روش آبکاری الکتریکی است که ذرات در اثر اعمال جریان الکتریکی در پوشش قرار میگیرند[1]. فرآیند آبکاری الکتریکی روشی است که در آن نمونهی موردنظر بهوسیلهی لایههای چسبیده و نازک از فلز دیگر پوشش داده میشود تا ظاهر و یا خواص موردنظر آن بهتر شود. این فرآیند که شامل پوشش دادن یک فلز، آلیاژ و یا کامپوزیت بر روی فلزی دیگر با استفاده از جریان برق است، از بیش از صد سال پیش مورد توجه محققان قرار گرفته است و هدف ایجاد پوششی با ویژگیهای خاص از فلز است. با استفاده از این روش میتوان لایههای نازک از مرتبهی چند نانومتر هم تولید نمود[2].

لایهنشانی یک فلز یا آلیاژ به وسیلهی جریان الکتریکی در حضور میدان مغناطیسی اعمالی بهعنوان الکترولیز مغناطیسی[1] (ME) یا لایهنشانی الکترولیتی مغناطیسی[2] شناخته میشود[3]. در حال حاضر بررسی فصل مشترک بین خواص مغناطیسی مواد و الکتروشیمی یکی از زمینههای جذاب مورد مطالعه در علوم بین رشتهای است و با مطالعهی اثرات هر یک از این دو موضوع بر دیگری، میتوان به نتایج سودمندی دست یافت. به عنوان مثال در حین فرآیند آبکاری، میدان مغناطیسی میتواند برای افزایش نرخ لایهنشانی گونههای مغناطیسی و غیرمغناطیسی بهکارگرفته شود[4]. هنگامی که میدان مغناطیسی بهطور موازی با سطح الکترودها بر یک پیل الکتروشیمیایی وارد میشود، نیرویی به نام نیروی لورنتس عمود بر چگالی جریان و میدان مغناطیسی بر تمامی ذرات بارداری که در محلول الکترولیت حرکت میکنند وارد میشود و بر خواص لایههای ساختهشده اثر میگذارد. تأثیر نیروی اعمالی بر مواد مختلف متفاوت است و بسته به اینکه فلز آبکاری شده مغناطیسی و یا غیرمغناطیسی باشد، نتایج متفاوتی از اعمال میدان میتوان بهدست آورد[3،4]. ازجمله ویژگیهای بررسی شده نیز میتوان به ریختشناسی سطح، ساختار بلوری و همچنین جوانهزنی در حضور میدان مغناطیسی اشارهکرد. میدان مغناطیسی خارجی همچنین میتواند بر فرآیند آبکاری الکتریکی آلیاژها نیز اثرگذار باشد[6]. بهطور مثال برای آلیاژ نیکل-آهن ترکیب آلیاژ با تغییر چگالی شار مغناطیسی تغییر میکند[7]. همچنین ریختشناسی، زبری، جهت کریستالوگرافی لایههای پوشش دادهشده[7] و خواص مغناطیسی این آلیاژ[5] نیز تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار میگیرد. با این وجود ویژگیهای بسیاری از جمله خواص مغناطیسی لایههای نازک مغناطیسی و غیرمغناطیسی تولیدشده در ابعاد نانویی با استفاده از این روش هنوز بهطور کامل مشخص نیست که این امر باعث ایجاد انگیزه در محققان و دانشمندان رشتههای فیزیک، شیمی و علم ومهندسی موادبرای مطالعه در این زمینه شده است.

فرآیندهای الکتروشیمیایی به خاطر توانایی قابل توجهشان نسبت به سایر روشها از قبیل پوششدهی از بخار فیزیکی (PVD) و پوششدهی از بخار شیمیایی (CVD) در ایجاد ساختارهای یکنواخت و بدون حفره، برای تولید پوشش مس استفاده میشوند. در اکثر موارد مشاهده شده است که ریزساختار پوششهای مس بهراحتی در دمای اتاق تبلور مجدد مییابند که منجر به ایجاد مشکلات اساسی در ارتباط با خواص الکترونیکی این پوششها میشود. تولید و ایجاد میدان مغناطیسی میتواند یک روش امیدبخش برای کنترل منحصربهفرد میکروساختار سطح باشد[8]. با انجام آبکاری در حضور میدان مغناطیسی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی[3] در محلول الکترولیت بهوسیلهی برهمکنش الکترومغناطیسی که جریان فارادی و میدان مغناطیسی است القا میشود. محققان زیادی به بررسی تأثیر جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی بر خواص میکروساختاری سطح پوششهای مس آبکاریشده و واکنش الکتروشیمیایی پرداختهاند که از آنجمله میتوان به تحقیقات هیندز[4] و همکاران[9] اشاره کرد که نشان دادند در حضور میدان مغناطیسی کوچکتر از 0.5 تسلا تغیر قابلتوجهی چه در ریختشناسی سطح و چه در بافت پوشش ایجاد نمیشود. همچنین با افزایش میدان مغناطیسی تا میزان 0.6 تسلا تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیند آبکاری الکتریکی مستقل از جهت میدان و نحوهی قرارگیری الکترود است. با این حال آبکاری الکتریکی مس در حضور میدان مغناطیسی بهطور سیستماتیک بررسی نشدهاست که دلیل آن میتواند به پذیرفتاری مغناطیسی بسیار کوچک مولی برگردد. لذا پتانسیل مغناطیسی در یک میدان ثابت) که c غلظت، نفوذپذیری مغناطیسی مولی یونی و نفوذپذیری فضای آزاد است( بسیار کوچک و قابل چشمپوشی در مقایسه با اثر هیدرودینامیکی مغناطیسی است.

تعدادی تحقیق نیز در مورد تأثیر میدان مغناطیسی بر آبکاری الکتریکی نیکل وجود دارد. بر اساس مطالعات مربوط به بازتاب الکترونهای تفرق یافته پرانرژی (RHEED) نیکل، آهن و کبالت یانگ[5] گزارش داد که یک میدان مغناطیسی اعمالی اثر ناچیزی بر جهت اصلی الکترونها دارد. اما افزایش در زبری سطح در اثر اعمال میدان عمود بر سطح الکترودها مشاهده شد[10]. بریلاس[6] و همکاران[11] بیان کردند که اعمال میدان مغناطیسی درحین فرآیند آبکاری الکتریکی نیکل چه بهصورت موازی و چه عمود بر سطح الکترودها، منجر به افزایش تراکم دانههای نیکل و رشد با اندازه و شکل هندسی منظمتر میشود و نتیجه گرفتند که ریختشناسی سطح به شدت تحت تأثیر میدان مغناطیسی قرار میگیرد.

اخیراً باند و همکاران[12] تأثیر میدان مغناطیسی عمود بر رفتار الکتروشیمی مس و نیکل را بررسی کردند. افزایش چگالی جریان حدی با میدان بر اساس افزایش در جریان همرفت ایجاد شده به وسیلهی جریان هیدرودینامیکی مغناطیسی توضیح داده شد. مشاهده شد که مواد با دانههای ریزتر در حضور میدان مغناطیسی برای نیکل آبکاری شده ایجاد میشود که این عامل به افزایش در جریان همرفتی که منجر به افزایش در نرخ لایهنشانی میشود نسبت دادهشد.

مطالعات مربوط به تأثیر میدان مغناطیسی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی معمولا با میدان موازی با سطح الکترودها انجام میشود. در این حالت نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی حداکثر است. اگر هدف محدود کردن جریان همرفتی بر اثر نیروی هیدرودینامیکی مغناطیسی و مطالعهی نیروهای پارامغناطیس و اثرات گرادیان میدان باشد، میدان مغناطیسی بهصورت عمود بر سطح الکترودها اعمال میشود.

در این تحقیق با استفاده از فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی، پوشش نانوساختاری از فلزات نیکل و مس تهیه گردید و خواص ریزساختار، مغناطیسی و ریختشناسی این فلزات در دو حالت بدون اعمال میدان مغناطیسی و اعمال میدان حین انجام فرآیند آبکاری الکتریکی ضربانی با یکدیگر مقایسه شد.

1-1- تقسیم بندی مواد از لحاظ خاصیت مغناطیسی

از لحاظ خواص مغناطیسی و با توجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد به دستههای مختلفی تقسیمبندی میشوند که در زیر آمده است:

الف) مواد پارامغناطیس

ب) مواد دیامغناطیس

ج)مواد فرومغناطیس

د)مواد پادفرومغناطیس

ه) مواد فریمغناطیس

1-1-1- مواد پارامغناطیس

در مواد پارامغناطیس، قابلیت مغناطیسی شدن ماده یا همان پذیرفتاری مغناطیسی( ) دارای مقدار مثبت کوچکی است. مقدار برای این مواد در دمای اتاق بین تا میباشد. در این مواد گشتاور مغناطیسی اجزاء سازنده صفر نیست بلکه طرز قرار گرفتن این اجزاء طوری است که گشتاور مغناطیسی کل ماده صفر میشود. در حین اعمال میدان مغناطیسی تنها تعدادی از گشتاورهای مغناطیسی با جهت میدان همراستا میشوند. در دماهای معمولی وابستگی اندکی به شدت میدان اعمال شده دارد. در حوالی صفر مطلق، مواد پارامغناطیس میتوانند به اشباع مغناطیسی برسند[13]. در جدول 2-1 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس ذکر گردیده است.

جدول ‏2‑1 تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد پارامغناطیس[13]

ماده	تأثیرپذیری مغناطیسی (10^-6emu mol^-1Oe^-1)
آلومینیوم	165
کروم	180
سولفات کروم	11800
سولفات مس(CuS	12660
کلرید کبالت (Co )	1460
سولفات گادولونیوم (Gd₂)	511200
اکسیژن ( )	20.8

1-1-2- مواد دیامغناطیس

در مواد دیامغناطیس دارای مقدار منفی بوده و اندازهی آن از مرتبهیاست. الکترونها به صورت جفت بوده و گشتاور خالص اجزای سازندهی این مواد (اتمها، مولکولها یا یونها) صفر است. در این حالت تقریبا مستقل از دما و شدت میدان اعمال شده به جسم است. علت منفی بودن در این مواد به این علت است که تغییرات گشتاور مغناطیسی در حضور میدان مغناطیسی خارجی فقط ناشی از قانون لنز است. بر اساس این قانون، نیروی محرکهی القایی حاصل از تغییر شار مغناطیسی دارای قطبهایی است که میدان مغناطیسی القایی حاصل از جریان آن با تغییر شار مغناطیسی اصلی مخالفت میکند. بنابراین با افزایش یا کاهش میدان اعمالی سرعت حرکت الکترونها بهگونهای است که اثر میدان خارجی را تقلیل دهد[13]. در جدول 2-2 پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس ذکرگردیده است.

جدول ‏2‑2: تأثیرپذیری یا پذیرفتاری مغناطیسی تعدادی از مواد دیامغناطیس[14]