سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه متالورژی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات

چگونگی سفارش مقاله

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.

سرمتهای نیکل فریت به عنوان آندهای بی اثر برای الکترولیز آلومینیوم

چکیده

پیشتر این نکته نشان داده شده بود که مواد سرمتی متشکل از ۸۳% نیکل فریت( Nio 7/51% و ۳/۴۸%) و ۱۷% فاز فلزی (Ag3%+ Cu14% یا Cu17%) برای دوره های کوتاهی به طور موثر به عنوان آندهای بی اثر عمل می کنند. هدف از این تحقیق تأیید این نتایج و تعیین اثر آنها تحت الکترولیز کوچک مقیاس می باشد. سه ترکیب که محتوی نسبت یکسانی از نیکل فریت هستند اما از نظر محتوای فلزی(مقدار فلز) متفاوتند، تولید شده اند. ترکیب ۱# مخلوطی از پودر مس و نقره (۱۴%-۳%) را به کار برد، ترکیب ۲# از پودر مس پوشیده شده با نقره که محتوی حدوده ۱۸% نقره بود و همان نسبت (۱۴%-۳%) مس و نقره در سرمت را ایجاد
می کرد، استفاده نمود، و ترکیب ۳# محتوی ۱۷% مس (بدون نقره) بود. استفاده از میکروسکوپ پویشی الکترون (SEM) این نکته را تأیید کرد که تمام ترکیبات سرمتی تولید شده، ریز ساختارهای ریز، متراکم (چگال) و یکنواخت با توزیع یکنواخت فاز فلزی دارند. این پدیده مشاهده شده که نیکل فریت شامل ذرات نوعا ۵ تا ۱۰ میکرون می باشد و نسبت نیکل به آهن در فریتها در محدوده منطقی تغییر می کند. همچنین دیده شد که فاز فلزی به طور منظم فازهای بسیار غنی (خالص) از نقره را ارائه می دهد. چگالی سرمتها همگی بالای g/cm³95/5 بودند.

…

الکترولیز کوتاه مدت آلومینیوم (۸ ساعت) در چگالیهای جریان مختلف (۵/۰ تا /A8/0)، مقایسه رفتار هر ترکیب را هنگامی که به عنوان آند در نمکهای مذاب کریولیتی داغ
(۹۸۰-۹۷۰ درجه سانتی گراد) به کار می رود، امکان پذیر می سازد. به طور کلی، ترکیب #۱ (مخلوط پودر مس و نقره) بهترین عملکرد را نشان می دهد و به دنبال آن، ترکیب #۲ (پودر مس پوشیده شده با نقره) قرار دارد. ترکیب #۳ (فقط پودر مس) تمایل بیشتری به تجزیه از خود نشان می دهد. اولین علامت تجزیه، کاهش فاز فلزی در اطراف آند می باشد. این پدیده ممکن است فاصله قابل توجهی داخل حجم آند ایجاد نماید. فاز بعدی تجزیه شامل واچسبی بستر نیکل فریت می باشد. ترکیب #۱ به کار رفته در /A5/0  پس از ۸ ساعت، تجزیه خیلی کمی را نشان می دهد.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

مقدمه

سه ماده اصلی برای آندهای بی اثر وجود دارد: سرامیک های نیم رسانا، سرمتها و آلیاژها. هر ماده – معمولا در ارتباط با خواص مکانیکی، الکتریکی و شیمیایی مزایا و معایبی دارد. تمرکز این تحقیق بر روی سرمتها و تولید مستقل توسط ما و ارزیابی ترکیبات توصیف شده به صورتی که پتانسیل همانند آندهای بی اثر داشته باشند، می باشد. با این تحقیق، ما توسعه مواد آندی سرمتی با خواص بهینه در مقایسه با موادی که قبلا محققین مختلف به آنها دست
یافته اند آغاز کرده ایم.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

تولید آند سرمتی

دستورالعمل تولید آند سرمتی در مرکز دانشگاهی کواین برای تولید سرامیکی پیشرفته تحت سرپرستی مستقیم دکتر ولادیمر کرستیک تصویب و اجرا شد. بررسی این مرجع نشان داد که ترکیبات نیکل فریت تولید شده و مورد آزمایش قرار گرفت و این ترکیبات موضوع تعدادی از مقالات انحصاری بوده است. بررسی این مرجع و مقالات انحصاری، خطوط راهنمای عمومی را برای تولید سرمتها ارائه می دهد اما جزئیات تعدادی از دستورالعمل ها مفقود می باشند. تهیه پودر (آسیاب کردن اولیه، کنترل ریز ساختار، دانه بندی و غیره) و کنترل ساختار پروسکیت (perovskite) ترکیب مناسب به عنوان پارامترهای کلیدی می باشند. همچنین این نکته اثبات شده که سرعت های حرارت دهی و کنترل دقیق دمای کلوخه سازی پارامترهای بسیار حساسی می باشند. سرانجام، این نکته معلوم شد که کنترل  اتمسفر همراه با بهینه سازی افزودن چسب، در رسیدن به چگالی بسیار  کلوخه شده ضروری می باشد. پس از یک تحقیق گسترده قابل توجه، تولید نمونه های دیسکی گلوله ای، بدون عرق کردن (bleeding) فلز، بدون ترکهای ریز و توزیع یکنواخت فازهای فلزی و سرامیکی در مواد توده ای، تکرار پذیری خوبی نشان می دهد. سایر معیارهای خواص شامل چگالی بالا ( cc/g 95/5< )، استحکام مکانیکی بالا (>100Mpa) و رسانایی، الکتریکی بالا ۱۰۰<) در دمای ۹۶۰ درجه سانتی گراد می باشد.

سنتز نیکل- فریت (NiFe₂O₄)

پودر سبز نیکل- اکسید که به صورت تجاری در دسترس بود از شرکت فیشرسانیتیفیک (Fisher Scientific) خریداری شد و پودر آهن- اکسید (با پایه فلزی ۵/۹۹%) از شرکت آلفا آئسار (Alfa Aesar) خریداری شد و این پودرها به عنوان مواد خام برای تولید
نیکل – فریت به کار برده شدند.

پارامترهای فنی به کار رفته برای تولید آند

پودر  سنتز شده بعدا با پودرهای فلزی مورد نیاز مخلوط شد تا ترکیبات هدف (مورد نظر) را تامین کند: ترکیب #۱ از مخلوطی از پودر مس و نقره استفاده کرد (۳%-۱۴%)، ترکیب #۲ از پودر مس پوشیده با نقره که محتوی حدود ۱۸% نقره بود، استفاده نمود که همان نسبت (۳%- ۱۴%) مس و نقره در سرمت را ایجاد نمود و ترکیب #۳ محتوی ۱۷% مس (بدون نقره) بود.

خواص فیزیکی نمونه ها- روشها و مقادیر اندازه گیری شده

رسانایی الکتریکی

رسانایی الکتریکی نمونه سرمتهای کلوخه شده با استفاده از روش چهار نقطه ای متداول، که پتانسیل اعمال شده در عرض نمونه ها را اندازه گیری می کند، اندازه گیری شد. نتایج
اندازه گیریهای رسانایی الکتریکی در دمای بالا برای ترکیب اول در شکل ۱ نشان داده شده است. ترکیبات دیگر، رفتارهای مشابهی را نشان دادند و رسانایی الکتریکی ترکیب #۲ از ۶۰ تا cm/s170 و ترکیب #۳ از ۵ تا cm/ s45 تحت همان محدوده دمایی ترکیب #۱ تغییر کرد. این نتایج می تواند با نتایج سایر محققین که محدوده رسانایی الکتریکی نمونه های مشابه را تا دمای ۹۶۰ درجه سانتی گراد بین  ۱۰ و s/cm یافتند، مقایسه شود. تحقیق دیگر محدوده رسانایی الکتریکی را از cm/s30-20 تا ۱۰ و cm/ s275 با شیبی در دمای ۶۵ درجه سانتی گراد یافت که به وسیله دیگران کپی نشده بود.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

 استحکام مکانیکی

حداقل ۵ نمونه از ترکیبات ۱، ۲ و ۳ به صورت میله های مستطیلی با ابعاد mm35×mm4×mm3 بریده شدند و برای اندازه گیری استحکام خمشی (مقاومت خمشی) نمونه های کلوخه شده با استفاده از روش MOR به کار برده شدند. دستگاه جیگ (jig) استفاده شده برای اندازه گیری استحکام، فاصله داخلی mm14 و فاصله بیرونی mm30 داشت. نمونه ها تحت پیکربندی خمشی چهار نقطه ای متداول شکسته شدند.

خصوصیات ریز ساختاری نمونه سرمتهای نیکل فریت

هر ترکیب از نمونه سرمتهای تولید شده، به منظور تعیین خصوصیات ریز ساختاری، در زیر میکروسکوپ پویشی الکترونی (SEM) مشاهده شدند. از میان مشاهدات، اندازه دانه فریت، اندازه و توزیع جزء فلزی، یکنواختی ریز ساختار، حضور تخلخل و ریز ترکها، یا سایر نقایص، جالب توجه بودند. این نتایج در شکلهای ۳، ۴ و ۵ نشان داده شده اند.

اندازه گیری های الکتروشیمیایی خواص آندهای سرمتی

هدف از اندازه گیری های الکتروشیمیایی، تعیین پارامترهای خوردگی سه ترکیب سرمتی نیکل فریت به کار رفته به عنوان آند برای الکترولیز نمکهای مذاب آلومینیوم می باشد.

پتانسیل های مدار باز و جریان های خوردگی از آزمایشهای الکتروشیمیایی محاسبه شده اند. مقادیر جریانهای خوردگی، پس از غوطه وری اولیه آندهای سرمتی در الکترولیت و بعد از قطبیدگی (پلاریزاسیون) آندی، با سرعتهای پویش مختلف تعیین شده اند. این سه ترکیب از آندها دوبار مورد آزمایش قرار گرفتند.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

بخش تجربی

قطعات سرمتی cm10×۱×۱ به طول های ۴ سانتی متر بریده شدند. برای نگه داشتن آندهای سرمتی cm4×۱×۱ از یک نگهدارنده (پایه) گرافیتی استفاده شد. برای تعیین خصوصیات الکتروشیمیایی نمونه آندها از الکترود مرجع آلومینیوم و کاتد سیمی مولییدن ۱ میلی متری در سل استفاده گردید.

الکترولیت آلومینای اشباع با نسبت وزنی ۱۳/۱ بوسیله اختلاط ۳/۲۸۵ گرم  ، ۷/۳۶ گرم  و ۲۸ گرم  (۸/۰ وزنی) تهیه شد. برای ذوب کردن مخلوط نمکها از یک بوته متشکل از ۸/۹۹% آلومینا استفاده  شد. این بوته در داخل یک دیواره فولادی ضد زنگ قرار داده شد. راکتور در میان یک کلاهک فولادی ضد زنگ که الکترودها به آن متصل بودند، گذاشته شد. این راکتور کاملا بسته شد و پوشش آرگون داشت. آزمایش ها در دماهای
۹۷۰ – ۹۶۰ درجه سانتی گراد انجام شدند.

تعریف پارامترهای خوردگی

مقاومت آند سرمتی در برابر خوردگی به وسیله سه پارامتر تعیین می شود:

• پتانسیل مدار باز (O.C.P.) تعریف شده به عنوان پتانسیلی که در آن هیچ جریانی وجود ندارد.

• جریان خوردگی پس از غوطه وری آند در مذاب

• جریان خوردگی پس از قطبیدگی آندی (قطبش آندی) آند

جریان خوردگی (A ) به عنوان چگالی جریان آندی که در پتانسیل انبساط اکسیژن ترمودینامیکی روی می دهد، تعریف می شود.

خوردگی آند سرمتی در ناحیه پتانسیل بین مقدار OCP و پتانسیل انبساط اکسیژن ترمودینامیکی روی می دهد. مقدار OCP بزرگ، ناحیه پتانسیلی که در آن خوردگی ایجاد
می شود را کاهش می دهد.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

نتایج اندازه گیریهای الکتروشیمیایی

شکل ۶ ولتاموگرام روبش خطی (تصحیح شده برای افت اهمی) بین ۲/۱ و v8/2 با ۵ پس از غوطه وری آند در مذاب برای نمونه ترکیب #۱ که آلیاژ مخلوط مس/ نقره
می باشد را به دست داده است. شکل ۷ همان ولتاگرام را در فرمت تافل(Tafel) نشان
می دهد. مقدار OCP، V433/1 بود. به عنوان مقایسه، اس. پیترزیک مقدار OCP برابر با V441/1 را برای آند سرمتی دارای چگالیg59/4 را که متشکل از
 NiO 9/42% ، Fe₂O₃ 1/40% و Cu 17% بود، به دست آورد. پتانسیل انبساط اکسیژن ترمودینامیکی v28/2 بدست آمد. جریان خوردگی اندازه گیری شده در پتانسیل انبساط اکسیژن ترمودینامیکی، A 072/0 بود. در میان مقدار OCP و پتانسیل انبساط اکسیژن ترمودینامیکی، می توانیم یک پیک آندی را مشاهده کنیم که احتمالا به اکسایش مس یا نقره نسبت داده می شود.

الکترولیز کوتاه مدت

نمونه های سرمتی ساخته شده با استفاده در عملیات الکترولیز آلومینیوم در مقیاس آزمایشگاهی مورد آزمایش قرار گرفتند. سرمتهای cm10×cm1×cm1  با استفاده از یک سل الکترولیز آلومینیوم مذاب آزمایش شدند. تمام سه ترکیب در طی ۸ ساعت الکترولیز با جریان A5 ، دوبار مورد آزمایش قرار گرفتند. عمق غوطه وری سرمتها اصلاح گردید تا مساحت عملکرد آندسرمتی حدود ۱۰ باشد و منجر به ایجاد چگالی جریان مورد نظر تقریبا/A5/0 شود.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

نصب الکترولیز

سل الکترولیز کاتد آلومینیوم مایع مشتمل بر یک بوته گرافیتی، آستر آلومینایی و یک بوته آلومینیومی کوچک بود (شکل ۸). به منظور قرار دادن بوته آلومینیومی کوچک جهت کنترل ناحیه کاتد فعال، در انتهای مخزن گرافیتی، حفره عمیقی تعبیه شده بود. آستر آلومینایی داخل در داخل بوته گرافیتی قرار داده شده بود تا دیواره های بوته به صورت الکتریکی عایق شوند. سل کامل در میان یک دیواره فولادی ضد زنگ (SS)، حلقه، واشر سیلیکوئی و دریچه آب سرد قرار داده شد. حدود ۶ گرم ساچمه آلومینیومی (mm8-4) وزن شد و بین آستر و بوته آلومینیومی مرکزی قرار داده شد. بر اساس آنالیز OES– ICP ، ساچمه های آلومینیومی ترکیب زیر را داشتند: ppm Fe470، Ni ppm184، Cu ppm103 و Ag pmm7/0. سپس، ۲۷۵ گرم مخلوط کریولیت با نسبت AlF₃/ NaF برابر با ۱۳/۱ به اضافه ۸% وزنی آلومینا Al₂O₃ به داخل بوته ریخته شد.

مراحل الکترولیز در / A 5/0 – نتایج

مرحله #۱– مخلوط پودر Cu/ Ag

تصاویر SEM (شکل ۹، با بزرگنمایی ۵۰۰ برابر) نشان می دهند که پس از ۸ ساعت الکترولیز در  /a 5/0، ریز ساختار ریز، متراکم و یکنواختی باقی می ماند. پس از آزمایش، لایه نازک دارای ضخامت حدود ۲۵ میکرون در سطح نمونه، ظاهرا کسر فلزی خود را از دست داده است.

مرحله #۳ – پودر Cu پوشیده شده با Ag

تصاویر SEM (شکل ۱۰) نشان می دهند که پس از ۸ ساعت الکترولیز در /a 5/0، عموما ریزساختار ریز، متراکم و یکنواختی به جا می ماند. تصویر چپ پایینی
(۰۸۱۱۰۶-۱ S3 se400X) ناحیه کمیاب نشان دهنده نقص تخلخل قبل از الکترولیز را نمایان می سازد (ناحیه مرئی در تصویر x50 در سمت چپ بالا). پس از آزمایش، لایه دارای ضخامت حدود ۲۰۰ میکرون، کاهش کسر فلزی را در تمام اطراف ناحیه عملکردی آند و ایجاد تخلخل در آن ناحیه را نشان می دهد.

الکترولیز در چگالی جریان بالاتر

هر دو ترکیب سرمتی Ag بهترین عملکرد را در آزمایشهای الکترولیز کوتاه مدت با چگالی جریان /A 5/0 نشان دادند و سپس رفتار الکتروشیمیایی آنها در دو چگالی جریان بزرگتر مورد آزمایش قرار گرفت: ۶۵/۰ و /A8/0.

خلاصه نتایج الکترولیز

نتایج آزمایشهای الکترولیز در جدول ۳ نشان داده شده اند. به این نکته باید توجه کرد که
بر اساس اندازه گیریهای انجام شده، هر سه ترکیب، به دنبال اندازه گیریهای قبل و بعد از ۲ ساعت قطبیدگی آندی پتانسیواستاتیک، محافظت از خود در برابر خوردگی فاجعه آمیز را نشان
می دهند. معیار مهمی برای قضاوت در مورد عملکرد سرمتهای نیکل فریت، علاوه بر تجزیه فیزیکی، ترکیب آلومینیوم تولید شده می باشد. الکترولیز کوتاه مدت برای قضاوت قطعی در مورد خلوص آلومینیوم تولید شده، مطمئنا کافی نیست. در یکی از روشها، ناخالصیها به وسیله آلومینیوم به کار رفته به عنوان بار اولیه رقیق می شوند. همچنین، انتظار می رود که تجزیه سرمت در دوره اولیه عملیات بدتر باشد. علاوه براین، تصاویر بهترین گواه بر قابلیت بقای آند در طی الکترولیز می باشند.

سرمتهای نیکل فریت آندهای بی اثر الکترولیز آلومینیوم

نتیجه گیری

روش ساخت آند سرمتی توسعه داده شد تا تولید نمونه های تأمین کننده معیارهای خواص زیر را امکان پذیر سازد:

• چگالی نه کمتر از /g95/5 – بهترین مقدار بدست آمده برای فاز فلزی مس پوشیده شده با نقره و فاز فلزی مخلوط Ag/Cu و برابر با /g08/6 بود.

• رسانایی الکتریکی (در دمای ۹۶۰ درجه سانتی گراد) نه کمتر از

   ۱۰۰ – نمونه های هر دو ترکیب محتوی Ag معیارها را با رسانایی دمایی بالای ۱۵۰ برآورد می سازند.

• استحکام مکانیکی نه کمتر از Mpa100 – تمام ترکیبات استحکام Mpa 140 یا بیشتر داشتند.

• …