Реферат

Работа посвящена исследованиям защитных свойств покрытий на алюминиевой фольге, работающей в составе суперконденсатора со щелочным электролитом.

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются ее цели

изадачи.

Влитературном обзоре представлены основные результаты работ по созданию защитных покрытий на алюминии. Обосновано применение графитоподобных и алмазоподобных покрытий и металлических покрытий на основе хрома, титана и меди. Изложены основные характеристики и методы получения углеродных и металлических покрытий.

Вглаве “Графитоподобные углеродные пленки” дано описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов по нанесению графитоподобных пленок. Изложены результаты исследований состава, структуры и защитных свойств полученных покрытий и дано их обсуждение. Предложен механизм разрушения графитоподобных пленок под воздействием щелочного электролита.

Вглаве “Алмазоподобные углеводородные пленки” дано описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов по нанесению алмазоподобных пленок. Изложены результаты исследований состава, структуры

изащитных свойств полученных покрытий и дано их обсуждение. Предложено объяснение различия защитных свойств алмазоподобных пленок в водных растворах солей и щелочей.

Вглаве “Металлические пленки” дано описание экспериментальной установки и методики проведения экспериментов по нанесению металлических пленок. Изложены результаты исследований состава, структуры и защитных свойств полученных покрытий и дано их обсуждение. Приведено обсуждение применимости диаграммы Торнтона для тонких металлических покрытий.

Взаключении изложены основные результаты данной работы.

2

Оглавление

1.3Разновидности защитных покрытий . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.1Углеродные покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.3.2Металлические покрытия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3Испытания защитных свойств графитоподобных углеродных пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.1Нанесение алмазоподобных углеводородных пленок . . . . . . . . 31

3.2Характеристики алмазоподобных углеводородных пленок . . . . . 34

3.3Испытания защитных свойств алмазоподобных углеводородных пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4.1Нанесение металлических пленок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

4.2Характеристики металлических пленок . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.1Медные пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

4.2.2Хромовые пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.2.3Титановые пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4.3Испытания защитных свойств металлических пленок . . . . . . . 57

4.3.1Медные пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

4.3.2Хромовые пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3

4.3.3 Титановые пленки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.4Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4

Список сокращений:

PVD — физическое осаждение из газовой фазы

CVD — химическое осаждение из газовой фазы

PECVD — химическое осаждение из газовой фазы, стимулированное плазмой

sccm – стандартный кубический сантиметр в минуту ЭЦР — электронно–циклотронный резонанс ВЧ — высокая частота РЭМ – растровый электронный микроскоп

ЭДС – энергодисперсионная спектроскопия ТДС – термодесорбционная спектроскопия

ПИД – пропорционально–интегрально–дифференциальный

5

Введение

Впоследние годы во всем мире большое внимание уделяется развитию энергосберегающих технологий, в частности широкое развитие получают системы на основе суперконденсаторов (электрохимических конденсаторов с двойным электрическим слоем). Суперконденсаторы занимают промежуточную нишу между аккумуляторами, способными запасать высокую электрическую энергию, и электролитическими конденсаторами, способными отдавать высокую мощность. В настоящее время они находят свое применение в автомобилестроении (рекуперация энергии торможения, облегченный запуск двигателя), энергетике и электронике.

Всуперконденсаторе энергия накапливается в двойных электрических слоях, формирующихся на границах раздела анод–электролит и катод–электролит. Возникшие двойные электрические слои можно рассматривать в качестве конденсаторов, одной из обкладок которого является заряженная поверхность электрода, а другой – слой ионов противоположного знака в электролите, расположенный у поверхности электрода. Толщина двойного электрического слоя крайне мала (порядка 1 нм), поэтому емкость у суперконденсаторов гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, так как емкость C (в случае плоского конденсатора) определяется отношением площади обкладок S к расстоянию между ними d: . Для дополнительного увеличения емкости суперконденсаторов их электроды изготовляются из материалов с развитой поверхностью – обычно

из различных сортов угольных материалов с высокой долей нанопор.

На рисунке 1 представлена принципиальная схема устройства суперконденсатора. Он состоит из двух пористых электродов 1 и пористого разделителя 2 межу ними. Разделитель и электроды пропитаны электролитом 3, что способствует протеканию ионного тока между электродами, но в то же время препятствует их непосредственному контакту. На обратной стороне активных электродов имеются токосъемные обкладки (катодная 4 и анодная 5), обеспечивающие возможность подключения суперконденсатора к внешней цепи.

Токосъемники для суперконденсаторов традиционно изготавливаются из ме-

6

Рис. 1: Устройство суперконденсатора: 1 – пористые электроды; 2 – сепаратор; 3 – электролит; 4, 5 – токосъемные обкладки

таллических материалов, наиболее распространенным из которых является алюминий [1], что обусловлено такими его свойствами, как легкость, высокая тепло- и электропроводность, простота в обработке и относительно невысокая стоимость. Основным недостатком алюминия является его достаточно низкая коррозионная стойкость в агрессивных средах. В частности при взаимодействии алюминия с щелочным электролитом (водным раствором щелочи) происходит его коррозия с выделением водорода. Наличие на поверхности алюминия естественной оксидной пленки не предотвращает коррозию, так как ионы гидрок- сила OH− из электролита оказываются способными разрушить ее [2]. Это об-

стоятельство сдерживает использование алюминия к качестве материала для токосъемника в суперконденсаторах с щелочным электролитом.

Для защиты от коррозии разрабатываются разнообразные защитные покрытия. Большинство исследований посвящено созданию достаточно толстых покрытий (толщиной порядка десятков микрометров) для защиты массивных конструкционных материалов. Однако для защиты тонких алюминиевых фольг необходимо нанесение сравнительно тонких покрытий, которые предотвращали бы сквозную коррозию алюминиевой фольги. В литературе имеется очень малое число работ, посвященных защите тонких фольг и созданию защитных покрытий на алюминии. При этом большинство защитных покрытий были испытаны на предмет их стойкости к коррозии в водных растворах солей, а не коррозии в растворах щелочей.

Нанесение тонких покрытий возможно при использовании плазменных методов. Если для защиты массивных конструкций покрытия могут быть пори-

7

стыми (например, так называемые анодные покрытия), то для защиты тонкой фольги покрытие должно быть химически инертным по отношению к агрессивной среде и достаточно плотным, чтобы препятствовать проникновению агрессивного агента сквозь материал покрытия к алюминиевой подложке. Защитными свойствами могут обладать покрытия на основе углерода, который является инертным ко многим электролитам, и так называемые катодные покрытия на основе металлов. Покрытия, исследованные в данной работе, были выбраны на основании существующего в мире опыта по созданию защитных покрытий на массивных материалах.

Целью данной работы являлось нанесение плазменными методами покрытий на алюминиевые фольги из материалов, стойких воздействию щелочей, для создания защитных барьеров на алюминиевых токосъемниках суперконденсаторов.

8