Гальваника — это многовековой процесс, который напрямую или косвенно стал частью человеческого существования с момента его открытия много веков назад, найдя широкое применение в различных областях, от домашнего хозяйства до коммерческого и промышленного применения. Практически все, что мы используем в современном мире, так или иначе, должно было быть подвергнуто различным видам гальванопокрытия, и причина этого заключается в том, что его доказанные преимущества в отношении материалов невозможно подорвать или недооценить. Процесс нанесения покрытий на различные материалы (в основном, на металл, но не ограничиваясь этим) методом гальванического осаждения является экономичной концепцией, которая представляет собой электрохимический процесс электролитического осаждения с пропусканием постоянного тока в специальном растворе. Сам процесс направлен на достижение различных целей (таких как улучшение внешнего вида, защита от коррозии, улучшение свойств, увеличение срока службы и т.д.).
Гальваника, так же, как и гальванопластика, используется уже много лет, став частью человеческой деятельности, сознательно или бессознательно, с момента открытия свойств электрохимического осаждения в середине 1800-х годов. Этот процесс постоянно развивается на различных этапах, следуя тенденциям времени и технологическим достижениям, которые продолжают определять наше существование. С течением времени и развитием промышленности люди, несомненно, оценили жизненную важность данной технологии в различных областях человеческой жизни. Во многих производственных процессах стал применяться этот способ нанесения покрытия на изделия, детали, узлы и корпуса. Сейчас он широко применяется для медицинских приборов, в автомобилестроении, судостроении, аэрокосмической отрасли, ювелирном деле, литейной промышленности, электронике и т.д.
Для достижения успешного и эффективного процесса нанесения покрытия одного химического элемента (соединения) на материал из другого, требуется определённое оборудование и настройка, но они могут быть различными в зависимости от области применения и назначения. Гальванопокрытие в основном ещё планируется на этапе при разработке продукции, потом вносится в карту необходимых производственных процессов для различных отраслей промышленности. Самыми популярными из которых, на сегодняшний день, являются золочение, серебрение, никелирование, омеднение, оцинковка и другие. Самая простая установка для нанесения гальванических покрытий в основном состоит из четырёх компонентов, а именно: анода, катода, электролитического раствора и источника питания. Все эти компоненты могут быть различных типов и конфигураций в зависимости от конструкции и области применения.
Следует отметить, что широкое применение гальваники в бытовом использовании недопустимо из-за недостатков, которые следует учитывать, поскольку применяемые в процессе различные химические вещества, по большому счету, токсичны и опасны. Угрозы возникновения уже существующих опасностей для окружающей среды и здоровья людей, заставляет предпринимать попытки по разработке более совершенных, менее опасных методов и/или материалов для нанесения гальванических покрытий.
История различных типов покрытий металлами восходит к доисторическим временам. Археологические данные свидетельствуют о том, что ранние люди использовали методы гальванопокрытия для украшения металлических предметов. Один из самых ранних примеров гальванопокрытия был обнаружен в Ираке в 1930-х годах, когда было обнаружено, что на поверхности медной статуи, датируемой 2500 годом до нашей эры, был нанесён тонкий слой серебра. Другой пример был обнаружен в Перу, где древние цивилизации использовали свой метод для создания сложных металлических изделий. В культуре Наска, которая процветала между 200 г. до н. э. и 600 г. н. э., золотые и серебряные предметы покрывались тончайшим слоем меди для создания характерного красноватого оттенка.
Хотя точные методы, используемые доисторическими цивилизациями, не были полностью изучены, считается, что использовалась примитивная форма, называемая «холодным покрытием» (натирание металлов металлическим порошком, таким как золото или серебро, а затем нагревание для сплавления порошка с этим металлом). Другой примитивной формой химического переноса, используемой для создания декоративных предметов, была «гальваническая коррозия» (когда металла с различными электрохимическими свойствами погружается в электролит, в котором растворён другой металл). Предполагается также, что ещё более примитивным способом для создания декоративных предметов, использовалось погружение двух металлов в чистую форму электролита. Этот процесс может вызвать перенос ионов металла с одного металла на другой, в результате чего тонкий слой одного металла осаждается на поверхности другого. В сущности, даже без электрической составляющей, этот последний способ наиболее близок по своей сущности к современному.
Но только в 19 веке, с открытием электрохимии, гальванопокрытие было разработано, как технология — в 1800 году Алессандро Вольта изобрёл вольтов столб, устройство, которое производило непрерывный электрический ток. Это изобретение вызвало интерес к области электрохимии, что привело к серии экспериментов, заложивших основу гальваники.
Основной принцип гальванопокрытия заключается в том, что протекающий через ячейку ток заставляет металлические ионы растворов переноситься с анода на катод. Достигнув анода, отрицательно заряженные электроны «восстанавливают» положительно заряженные ионы на катоде. Затем, из-за отрицательного и положительного зарядов, два металла притягиваются друг к другу. Эта связь описывается законом Фарадея 1833 года, который гласит, что «количество осаждённого металла прямо пропорционально количеству электричества, прошедшего через ячейку». Эта техника нанесения покрытия является одновременно и искусством, и наукой, поскольку она основана на нескольких курсах физики и химии. Однако, никакое теоретическое обучение не может сделать из неподготовленного человека искусного гальваниста, поскольку в этом случае опыт, полученный в ходе процедуры, не может быть заменён другим. Обычно процесс нанесения включает несколько этапов:
— очистку и подготовку поверхности катода;
— нанесение слоя проводящего покрытия на поверхность;
— погружение катода в электролитический раствор и пропускание электрического тока через ячейку для осаждения металла на поверхность катода.
Перед подготовительными этапами следует определить, какой из методов использовать, будь то стеллажное, цилиндрическое, комбинированное нанесение покрытия и т. д. Это связано с тем, что размер материала, на который необходимо нанести слой другого, определит, какой из многочисленных доступных методов будет использоваться. Что ещё более важно — особое внимание следует уделять составу используемого электролита, поскольку тип иона металла в растворе будет определять тип осаждаемого металла, а значит, может влиять на качество, толщину, адгезионную способность и внешний вид наносимого слоя.
За прошедшие годы гальваника претерпела значительные усовершенствования, что привело к расширению её применения и коммерциализации. Одним из ключевых факторов, способствующих этому, является растущий спрос на высококачественные и долговечные защитные и/или декоративные покрытия. Эта технология стала более эффективной, экономичной и экологически чистой, что сделало её более доступной для различных отраслей промышленности. С течением времени расширялся спектр методик процесса. В настоящее время сразу несколько из них могут быть использованы для нанесения широкого спектра гальванических материалов на различные типы подложек. Выбор наиболее подходящего метода зависит от таких факторов, как размер и форма покрываемых деталей, желаемая толщина и состав гальванического материала, а также объем производства и соображения стоимости. Стоит отметить, что независимо от типа применяемой технологии, может использоваться, либо один способ, либо их комбинация.
Мы живём в эпоху, когда технологии ежедневно вмешиваются во все аспекты нашей жизни. Это породило массу инноваций в профессиональных областях, и гальваника не осталась в стороне. Современные процессы в высокой степени автоматизированы, с компьютерным управлением оборудования и сложными системами мониторинга, подключённых к высокопроизводительным серверам, куда записывается вся информация для последующей обработки и хранения. Эти достижения привели к повышению эффективности, сокращению отходов и улучшению контроля качества в промышленности. В последние годы все больше внимания уделяется разработке более устойчивых гальванических процессов — исследователи изучают использование альтернативных, нетоксичных гальванических растворов и разрабатывают новые методы для минимизации отходов и снижения воздействия на окружающую среду.
Другим фактором, стимулирующим инновации в современной гальванике, является появление новых приложений и материалов. Например, различные новые способы в настоящее время используются для нанесения покрытий на неметаллические материалы, такие как пластик и керамика, которые требуют специальных процессов и технологий. Кроме того, спрос на покрытия со специфическими свойствами, такими как антибактериальные, антибликовые и супергидрофобные, является второй движущей силой развития новых процессов и технологий.
Одним из основных нововведений является использование импульсного метода, при котором ток подаётся короткими импульсами с различной частотой, вместо непрерывного потока. Это приводит к более равномерному осаждению металла и уменьшает образование дефектов, таких как ямки, трещины, пористость, шероховатость и наросты. Он также позволяет наносить металлы с различной кристаллической структурой, улучшает адгезию к подложке, повышает эффективность и скорость осаждения, снижает потребление энергии, а также сокращает отходы.
Метод с использованием наночастиц, которые включаются в раствор для гальванопокрытия. Это касается манипуляций с исходным материалом самих наночастиц, которые могут быть размером приблизительно от одного до ста нанометров. Их применение может улучшить общую эффективность процесса, а также свойства покрытого материала (электрические, механические или оптические). Наночастицы или нанокомпозиты (такие как SiC, Al2O3, графен, углеродные нанотрубки и т. д.) интегрируются в гальванические ванны различными способами для достижения равномерной дисперсии и стабильной суспензии наночастиц. Это позволяет наносить металл с улучшенными свойствами, такими как повышенная твёрдость, износостойкость и коррозионная сопротивляемость агрессивным жидкостям даже в нагретой среде. Кроме того, это снижает количество используемого в процессе металла, делая всю процедуру более экологичной. Этот метод уже применяется в различных отраслях промышленности, таких как биомедицина, автомобилестроение, смартфоны, полупроводники и электроника. Однако исследования по включению наночастиц в гальванические покрытия, такие как электрическое, химическое или комбинированное совместное осаждение, продолжаются.
Высокоскоростная гальванизация — это ещё одно достижение в развитии, при котором подготовленный насыщенный раствор прокачивается с высокой скоростью по поверхности, на которую наносится покрытие. Это приводит к более равномерному осаждению металла и уменьшает образование дефектов, таких как пустоты и шероховатости.
Микро- и наноструктурирование подразумевает использование шаблонов или масок для создания сложных узоров на поверхности подложки. Было обнаружено, что эта технология улучшает эксплуатационные характеристики покрытия за счёт создания поверхностных особенностей, которые улучшают его свойства, такие как смачиваемость и адгезия. Кроме того, микро- и наноструктурирование может использоваться для создания сложных форм и дизайнов в декоративных целях.
Автоматизированная гальванизация — это достаточно сложные системы, которые используют компьютерное управление процессом (либо несколькими процессами), уменьшая необходимость ручного вмешательства и повышая эффективность и последовательность действий. Основными составляющими являются набор специализированного оборудования и программного обеспечения, которые могут контролировать (и менять их «на лету») множество параметров гальванизации (температура, плотность тока, время, насыщенность раствора и т.п.), а также контролировать качество (толщина слоя, адгезия, плотность и пористость). Оборудование может включать в себя очень много компонентов: резервуары, насосы, фильтры, нагреватели, охладители, выпрямители, датчики и контроллеры, в то время как программное обеспечение содержит специальные алгоритмы для различных условий и деталей, готовые модели, базы данных и пользовательские интерфейсы. Однако эффективность любого автоматизированного вмешательства, даже в сложных современных интеллектуальных установках, во многом зависит от степени оптимизации параметров: температура детали или раствора в ванне, уровень pH, скорость перемешивания, скорость вращения детали, время нанесения покрытия, плотность тока, добавки и т. д. Влияние каждого параметра имеет первостепенное значение для всего процесса.
Ещё одной недавней разработкой в данной области является использование ионных жидкостей в качестве электролитов. Ионные жидкости — это соли, которые являются жидкими при комнатной температуре, но обладающими рядом преимуществ по сравнению с традиционными водными электролитами: более высокая проводимость, низкая токсичность и летучесть, способность растворять более широкий спектр металлов. Было обнаружено, что использование ионных жидкостей в качестве электролитов может привести к более высоким скоростям осаждения и улучшенным свойствам поверхности, а также к снижению количества опасных отходов, образующихся в процессе гальванопокрытия.
Загрузка...
