Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ МАГНЕТИЗМУ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК ТА МІНІСТЕРСТВА ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

01.04.11- магнетизм

УДК 537.633.9; 537.639; 537.84; 538.955; 544.636; 544.632.3

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

ОСОБЛИВОСТІ СТРУКТУРИ МІЖФАЗНОЇ ПОВЕРХНІ ФЕРОМАГНЕТИК-ЕЛЕКТРОЛІТ В МАГНІТНОМУ ПОЛІ

Дереча Дмитро

Олександрович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Інституті магнетизму НАН України та МОН України

Науковий керівник:

доктор фізико-математичних наук Горобець Оксана Юріївна, професор кафедри загальної та експериментальної фізики фізико-математичного факультету Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор, член-кореспондент НАН України Клепіков В'ячеслав Федорович, директор Інституту електрофізики і радіаційних технологій НАН України

доктор фізико-математичних наук, професор Кокорін Володимир Володимирович, завідувач відділу Інституту магнетизму НАН України та МОН України

Захист відбудеться «10» червня 2010 р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.248.01 при Інституті магнетизму НАН України та МОН України за адресою: 03142, м. Київ, бульвар Академіка Вернадського, 36-б; конференц-зал Інституту магнетизму НАН України та МОН України.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою: 03142, м. Київ, бульвар Академіка Вернадського, 36.

Автореферат розісланий «5» травня 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.248.01 кандидат фізико-математичних наук Л.Є.Козлова

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У багатьох галузях науки значна увага приділяється вивченню впливу зовнішніх факторів на зміну структури та властивостей твердих тіл і їх поверхонь, що межують з іншими фазами під час протікання електрохімічних процесів, зокрема спонтанному утворенню просторових структур у зв'язку з їх важливістю для вивчення виникнення складних структур у природі. Класичним прикладом утворення зазначених структур є розповсюдження хвиль уздовж деяких типів металів і сплавів, таких, як нікель, залізо, кобальт та сталь, під час їх електрохімічної обробки. Основною причиною виникнення таких структур є наявність нелінійностей у механізмі реакції, таких, як автокаталіз або фазових переходів на поверхні. Ці дослідження є цікавими як з теоретичного, так і з практичного погляду в зв'язку з актуальністю процесів самоорганізації і виникнення дисипативних структур при фізико-хімічній взаємодії металів з електролітами. Існування дисипативної структури залежить в загальному випадку від граничних умов, які, у свою чергу, можуть бути змінені самою структурою, що є важливим для цілеспрямованого формування складу та структури тонких плівок феромагнітних матеріалів. Магніто-електрохімія є гарним полігоном для вивчення таких структур, так як більшість електрохімічних процесів протікає за нерівноважних умов. Магнітне поле є додатковим параметром при електрохімічній обробці металів, який дозволяє змінювати існуючі або створювати нові просторово-часові структури. У більш широкому сенсі його вплив сильно змінює протікання електрохімічних процесів, проте механізм цього впливу не повністю досліджено.

Окрім того, тверді тіла під час їх контакту з електролітами є досить простими, з експериментальної точки зору, об'єктами для дослідження. Тому вони широко використовуються при експериментальній апробації теоретичних моделей. Відомо, що прикладення магнітного поля до електрохімічної комірки впливає на характер зародкоутворення і росту кристалів та дозволяє змінювати характеристики отриманих поверхонь. Зокрема, дослідниками спостерігались ефекти зміни мікро- та макроструктури отриманих осадів, кінетики та швидкості протікання електрохімічних процесів, значення катодного потенціалу, гідродинамічне перемішування електроліту та ін. У переважній більшості ці роботи сфокусовані на вивчення зміни морфології і мікроструктури отриманих поверхонь, у них зазначається, що магнітне поле впливає на протікання електрохімічних процесів шляхом виникнення сили Лоренця, яка діє на рух заряджених часток в електроліті в напрямку, перпендикулярному до напрямку зовнішнього магнітного поля, у якому і спостерігається найбільш значний вплив магнітного поля на морфологію поверхні плівок. Проте ефекти впливу зовнішнього магнітного поля на структуру електрохімічно отриманих поверхонь систематично не вивчалися. Так, існує ряд суперечливих даних, по-перше, як щодо впливу однорідного, так і градієнтного магнітного поля на структуру поверхні осадів, по-друге, теоретичних пояснень цього впливу. Виходячи з цього, ця робота спрямована на дослідження структури міжфазної поверхні феромагнетик-елекроліт в зовнішньому магнітному полі.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота в основній частині виконувалася в рамках тематичного плану науково-дослідницьких робіт Інституту магнетизму НАН та МОН України:

– «Розроблення магнітного мікроструктуратора поверхні металу» (№ 0105U0008606);

– «Дослідження механізмів дії магнітного поля на електрохімічні процеси в околі металевих поверхонь» (№ 0103U000492);

– «Дослідження функціональних властивостей наномасштабних структур в сильно градієнтних магнітних полях» (№ 0107U006727);

– «Ефекти самоорганізації в системі метал-електроліт в постійному магнітному полі» (№ 0106U002466);

– «Вивчення осциляційної залежності маси стравленого металу в зовнішньому магнітному полі» (№ 0109U002153);

– «Вивчення взаємозв'язку доменної структури та характеристик петлі гістерезису з процесами корозії феромагнітних матеріалів в постійному магнітному полі» (№ 0109U002040).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є виявлення закономірностей зміни мікро- та макроструктури феромагнітного матеріалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт під впливом зовнішнього магнітного поля та вивчення просторового розподілу електричного потенціалу; встановлення взаємозв'язку між індукованою магнітним полем багатовихоровою структурою електроліту поблизу міжфазної границі з феромагнетиком та зазначеним розподілом потенціалу.

Для досягнення поставленої мети планувалося розв'язати такі задачі:

– Провести експериментальні дослідження залежності параметрів мікро- та макроструктури електрохімічно отриманих осадів від напруженості та напрямку зовнішнього магнітного поля.

– Вивчити ієрархію масштабів ефектів зміни структури поверхні феромагнетиків під впливом прикладеного постійного магнітного поля та електрохімічних перетворень.

– Експериментально дослідити просторовий розподіл електричного потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт у магнітному полі.

– Знайти кореляції між просторовим розподілом електричного потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт з параметрами структури отриманих поверхонь та параметрами вихорової структури електроліту в магнітному полі.

– Дослідити залежності параметрів структури кородованих поверхонь від значення напруженості зовнішнього магнітного поля та струму в електрохімічній комірці.

– Провести порівняння отриманих результатів з існуючими теоретичними моделями.

Об'єктом дослідження є феромагнетики, що перебувають під впливом магнітних полів під час протікання електрохімічних процесів.

Предметом дослідження є структура поверхні електрохімічно оброблених феромагнітних матеріалів та процеси, що протікають на поверхні феромагнітних матеріалів в умовах одночасного впливу магнітних полів і електрохімічних перетворень.

Методи дослідження. Для виконання поставлених задач використовувались як стандартні методики дослідження структури поверхні, так і модифікації існуючих методик вимірювання. Дослідження зміни структури поверхні феромагнітних твердих тіл, отриманої в результаті протікання електрохімічних процесів під впливом і без прикладення електричного та магнітного полів, проводились із застосуванням растрової електронної, оптичної та атомно-силової мікроскопії. Дослідження просторового розподілу електричного потенціалу під впливом магнітного поля проводились багатозондовим методом з автоматичним збором даних.

Аналіз експериментальних даних здійснювався із застосуванням побудованих та існуючих теоретичних моделей, зокрема моделі «захоплення парамагнітних частинок в градієнтному магнітному полі». Порівняння експериментальних даних та теоретичних моделей процесів проводилось за допомогою вбудованих стандартних функцій пакету Mathcad.

Наукові результати і висновки, отримані в роботі, є достатньо обґрунтованими і достовірними, що забезпечується використанням комплексу надійно апробованих методів дослідження, багаторазовою відтворюваністю результатів та їх статистичною обробкою. Достовірність експериментальних результатів підтверджується також адекватними модельними розрахунками та узгодженням отриманих результатів з існуючими експериментальними і теоретичними літературними даними.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше в умовах впливу постійного магнітного поля та електрохімічних перетворень на поверхні твердого тіла зроблено таке: Вперше виявлено ефект залежності параметрів мікро- та макроструктури електросаду від напруженості зовнішнього магнітного поля при електроосадженні нікелю, який полягає у видовженні гранул осаду вдовж напрямку зовнішнього магнітного поля.

2. Вперше виявлено немонотонну залежність розміру дендритних областей електроосаду нікелю від зовнішнього магнітного поля, який формується під дією неоднорідного магнітного поля намагніченої сталевої матриці.

3. Вперше експериментально виявлено неоднорідний просторово-квазіперіодичний розподіл електричного потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт у магнітному полі.

4. Вперше показано, що амплітуда просторово-квазіперіодичного розподілу потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт лінійно залежить від магнітного поля.

5. Вперше експериментально показано, що зазначений квазіперіодичний розподіл потенціалу індукує багатовихорове перемішування електроліту навколо феромагнітного циліндру в магнітному полі, що узгоджується з теоретичними моделями.

Практичне значення одержаних результатів. Результати роботи мають як теоретичне, так і практичне значення. Розроблений метод магнітокерованого електроосадження дозволяє отримувати функціональні поверхні із заданою формою та мікро- і макроструктурою поверхні, які можуть використовуватись, зокрема, як високоградієнтні феромагнітні насадки для магнітної сепарації, складові частини високоградієнтних магнітних фільтрів та елементів електронних схем. Шляхом вибору величини та конфігурації зовнішніх магнітостатичних полів можна виготовляти нікелеві феромагнітні матриці з періодичною на мезомасштабах формою та сильно розгалуженою структурою поверхні на мікро- та наномасштабах, що є важливим для феромагнітних матриць високої ємності.

Використання отриманих результатів є доцільним на виробництві при обробці поверхонь на мікро- та макрорівнях у відповідності до поставлених задач.

Особистий внесок здобувача полягає у виборі напрямку досліджень, аналізі літературних даних стосовно теми дисертації, конкретизації поставлених задач, розробці підходів та методів розв'язання поставленої задачі, у виборі об'єктів дослідження та приготуванні зразків, у проведенні експерименту, обробці отриманих результатів, проведенні розрахунків та інтерпретації отриманих результатів. Особистий внесок здобувача полягає також у написанні та підготовці до публікації статей, доповідей на конференціях, патентів.

Апробація результатів дисертації. Результати, представлені в дисертаційній роботі, пройшли апробацію серед спеціалістів як в Україні, так і за її межами, зокрема на міжнародних конференціях:

1. 8th International Conference on Intermolecular and Magnetic Interactions in Matter, (Naікczуw, Poland, 2005).

2. 57th Annual Meeting of the International Society of Electrochemistry, (Edinburgh, UK, 2006).

3. Міжнародна конференція «Материалы и механизмы морского транспорта. Методы исследования и упрочнения», (Севастополь, Україна, 26_29 серпня 2008).

4. 4th international conference “Physics of Liquid Matter: Modern Problems” (Kyiv, Ukraine, may 23-26, 2008).

Також результати дисертаційної роботи доповідались автором на семінарах і наукових зборах Інституту магнетизму НАН України та МОН України.

Публікації. Результати досліджень, викладені в дисертаційній роботі, опубліковані в 5 наукових працях, зокрема, у 3 наукових статтях, із них в 2 закордонних фахових журналах, 1 у вітчизняному фаховому журналі, що відповідає вимогам ВАК України; захищені 1 патентом України на винаходи та опубліковані в 1 збірнику матеріалів міжнародної конференції, а також представлені в 4 тезах і доповідях на наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації -129 сторінок. Дисертація містить 63 рисунки, 3 таблиці. Список використаних джерел містить 119 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми досліджень, сформульовано мету і задачі досліджень, охарактеризовані об'єкт, предмет і методи досліджень, відображено новизну, наукове і практичне значення та обґрунтованість отриманих результатів, наведено відомості про зв'язок роботи з науково-технічними програмами, планами та темами, її апробацію, особистий внесок здобувача та публікації автора.

У першому розділі представлено огляд опублікованих у науковій літературі відомостей з обраної тематики досліджень. Розглядаються питання щодо експериментального спостереження та теоретичного пояснення впливу однорідного та градієнтного магнітного поля на особливості протікання електрохімічних реакцій. Приведено відомості щодо рівня впливу сил магнітної природи на мікро- і макроструктуру електроосаджених та кородованих поверхонь, зміни структури електроліту, масоперенос, зародкоутворення та значення катодного потенціалу. Зокрема, зазначається, що прикладення однорідного магнітного поля до металевих об'єктів під час їх корозії приводить до багатовихорового перемішування електроліту [R1] та їх квазіперіодичного мікроструктурування [R2], в той час як без магнітного поля при тих самих умовах експерименту відбувається однорідна корозія. Вказується, що теоретично цей ефект пояснювався наявністю періодично розподілених струмів вздовж поверхні циліндрів, проте експериментальне підтвердження даного відсутнє [R3]. Зазначено, що область досліджень становить значний інтерес як у науковому аспекті, так і в аспекті практичного застосування. Констатовано суперечливість існуючих експериментальних даних та те, що низка питань залишається малодослідженою, зокрема в області вивчення впливу неоднорідного магнітного поля на структуру поверхонь, отриманих електрохімічним методом.

На підставі проведеного аналізу літературних даних окреслено коло задач, розв'язання яких є метою дисертаційної роботи.

У другому розділі описано методики дослідження та матеріали, використані в роботі. Вказується, що вибрана тематика досліджень потребувала модифікації експериментальної установки, наведено її характеристики. Детально описано методику вимірювання значення та просторового розподілу електричного потенціалу вздовж поверхні зразків під час їх корозії в магнітному полі, яка полягає у вимірюванні потенціалу безпосередньо на визначеній відстані від поверхні зразка із застосуванням зондового методу. Також описано методики вивчення впливу однорідного і просторово розподіленого магнітного поля на структуру електрохімічно отриманих поверхонь, як кородованих, так і електроосаджених. У цьому розділі також зазначається, що застосування описаних як прямих, так і непрямих методів дослідження має забезпечити достовірність результатів і їх незалежність від методу дослідження.

Третій розділ дисертації присвячено дослідженню впливу однорідного та просторово розподіленого магнітних полів на електрохімічне осадження тонких феромагнітних плівок. Проведено експериментальне дослідження структури поверхні нікелевих осадів, отриманих шляхом електроосадження в магнітному полі з сульфаматного електроліту нікелювання складу: Ni(H2NSO3)2 - 350 г/л, NiCl - 13 г/л, H3BO3 - 30 г/л, pH = 4. Такий вибір електроліту був зумовлений, у першу чергу, його широким діапазоном робочих температур. Показано, що покриття, отримані без впливу магнітного поля, мають мілкозернисту структуру, текстура яких повторює текстуру катоду. Прикладення однорідного зовнішнього магнітного поля, незалежно від напрямку, приводить до укрупнення розмірів зерен і збільшення загальної шорсткості поверхні покриттів, що узгоджується з існуючими літературними даними. Як показали дослідження цих зразків методами атомно-силової мікроскопії, прикладення магнітного поля до електрохімічної комірки, змінює структуру поверхні осадів, впливаючи на форму зерен та блоків мозаїки, і приводить до витягнення останніх вздовж напрямку магнітного поля.

У підрозділі 3.2 описується вплив просторово-розподіленого магнітного поля, яке створювалось намагнічуванням феромагнітних матриць різної конфігурації під дією однорідного магнітного поля, на структуру отриманих поверхонь. У якості матриць застосовувались сталева сітка з дроту діаметром = 0,5 мм і розміром комірки l= 2 мм або система сталевих лез шириною 0,5 мм. Матеріал матриць: вуглецева сталь марки 6Х13. Показано, що прикладення неоднорідного просторово розподіленого магнітного поля під час осадження дозволяє змінювати структуру осадів і отримувати дендритні області на поверхні катоду, в місцях максимальної напруженості магнітного поля.

У результаті дослідження мікроструктури поверхні покриттів визначено, що характерні розміри і густина (кількість на одиницю площі) дендритів зростають з ростом часу осадження. Спочатку на поверхні плівки починають рости блоки правильної сферичної форми, кількість і розмір яких зростають з ростом часу осадження. Надалі вони починають зрощуватись між собою, у той же час їх форма спотворюється і на їхній поверхні починають рости голки дендритів. Цей ефект можна пояснити тим, що неоднорідне магнітне поле, яке створюється намагніченою матрицею, створює силу, яка концентрує парамагнітні іони нікелю в місцях максимальної неоднорідності магнітного поля, тобто в дендритних областях, що аналогічно уловлюванню парамагнітних часток магнітними фільтрами. Виявлено немонотонну залежність розміру дендритних областей електроосаду нікелю від напруженості прикладеного зовнішнього магнітного поля (рис. 4) та проведено теоретичну оцінку такого впливу (рис. 5) на основі теорії «захоплення парамагнітних часток в неоднорідному магнітному полі», розробленої Friedlander F.J. та ін. [R4]. В ній процес «уловлювання» іона матрицею визначається як результат конкуренції магнітної

сили та сили Стокса

,

де

Рух частки в даному випадку задається електричним струмом, прикладеним до комірки. Тоді сила, що діє на частки, прямо пропорційна градієнту густини магнітної енергії. При прикладенні градієнта магнітного поля на поверхні катоду виникають магнітні сили, пропорційні , що починають діяти на іони, і вони починають рухатись відносно рідини.

Моделювання руху частки в електроліті до матриці проводиться із застосуванням чисельних методів для обчислення потоку рідини в кожній точці. Траєкторія часток в рідині визначається за методом Рунге-Кутта. Таким чином, у випадку, коли елемент матриці має сферичну форму і швидкість потоку часток поза зоною дії градієнтної магнітної сили паралельна зовнішньому магнітному полю, таке рівняння має вигляд [R4]:

де ,

- швидкість частки;

,

; - радіус феромагнітної кулі (елемента матриці), що створює градієнтне магнітне поле при намагнічуванні в зовнішньому магнітному полі, , - магнітна сприйнятливість частки; - намагніченість; - радіус частки;

- об'єм частки.

Вважаючи, що елемент матриці має магнітний момент і, враховуючи, що магнітне поле феромагнітної частки має дипольний характер:

де , - радіус-вектор; - намагніченість феромагнітної частки; - об'єм феромагнітної частки, тоді обезрозмірений вираз для градієнта квадрата напруженості магнітного поля набуває вигляду [R4]:

, де - зовнішнє магнітне поле.

Система координат вибрана так, що вісь ОZ спрямована уздовж зовнішнього магнітного поля і у напрямку пропускання електричного струму, а для визначення руху частки врахована циліндрична симетрія в площині XOУ.

На основі чисельного розв'язку рівняння (1) область уловлювання частки окремим елементом матриці сферичної форми визначається як геометричне місце точок в об'ємі, із якого в результаті руху частки відбувається її торкання поверхні катоду над елементом матриці. У результаті чисельного моделювання було показано, що при пропусканні електричного струму паралельно до напрямку зовнішнього магнітного поля перетин області уловлювання площиною, яка перпендикулярна швидкості потоку рідини, має форму кола радіусом лінійного розміру зони уловлювання .

Для випадку, коли зовнішнє магнітне поле направлене уздовж швидкості потоку рідини, площа зони захоплення в площині XY обчислюється за формулою:

.

Як видно з рис. 4, який відображає експериментальні результати та з результатів чисельного розрахунку (рис. 5), гранична траєкторія руху парамагнітних часток у градієнтному магнітному полі, яка відокремлює зону захоплення парамагнітних часток, має перегин. Чисельне моделювання показало, що радіус зони захоплення, як і - координата будь-якої точки граничної траєкторії до перегину, зростає зі збільшенням зовнішнього магнітного поля, у той час як - координата будь-якої точки граничної траєкторії після перегину зменшується зі збільшенням напруженості зовнішнього магнітного поля. Тобто, у малих за значенням магнітних полях перетин траєкторії руху парамагнітної частки з площиною катоду припадає на область траєкторії до перегину, а значить, величина області на катоді, у якій концентруються парамагнітні іони, збільшується зі збільшенням напруженості прикладеного магнітного поля. Проте при досягненні певної критичної величини магнітного поля перетин граничної траєкторії руху парамагнітної частки з площиною катоду припадає на область траєкторії після перегину. Таким чином, при подальшому збільшенні значення напруженості магнітного поля розміри області на катоді, у якій концентруються парамагнітні іони, починають зменшуватися зі збільшенням напруженості прикладеного магнітного поля, що узгоджується з результатами, отриманими експериментально.

Зазначені результати вказують на вплив на іони та адатоми нікелю саме градієнтних магнітних сил, які фактично концентрують парамагнітні іони нікелю в прикатодних областях, де напруженість магнітного поля та його градієнт є максимальними, аналогічно роботі [R4] для випадку осадження наночасток завдяки силі магнітофорезу

,

яка діє не на потоки рідини, а власне, на частки, дисоційовані в електроліті.

Описаний результат також можна пояснити впливом градієнтних магнітних сил, створених намагніченою в однорідному зовнішньому магнітному полі феромагнітною матрицею. Окрім того, сформовані під час осадження нікелеві блоки, намагнічені в зовнішньому магнітному полі, також створюють градієнт магнітного поля. У проведених експериментах розподіл градієнтного просторово періодичного магнітного поля є цілком контрольованим і визначається геометрією феромагнітної матриці, що дозволяє розділити вплив однорідного та градієнтного магнітних полів на морфологію електроосаджених плівок. Отриманий результат є цікавим також і в прикладному аспекті, так як вказує на можливість за допомогою просторово розподіленого магнітного поля, контрольованим чином, керувати морфологією не лише всієї поверхні осаду, а й заданих її ділянок, що особливо важливо для створення функціональних матеріалів та конструкційних елементів, наприклад, розгалужених фрактальних структур, які завдяки великій площі поверхні можуть застосовуватись не лише у якості систем захисту від корозії а й як елементи магнітних фільтрів. Також, у даному підрозділі, проведено оцінку величини значення градієнта магнітного поля над катодом. магнітний електрохімічний корозія феромагнітний

У четвертому розділі дисертації представлено результати експериментів з дослідження впливу постійного магнітного поля на електрохімічну корозію металевих елементів у розчині азотної кислоти.

У підрозділі 4.1 наведено результати вимірювання просторового розподілу електричного потенціалу вздовж поверхні кородуючих зразків, та надано експериментальне підтвердження теоретичних моделей, які вказують на те, що саме періодичний розподіл потенціалу індукує багатовихорове перемішування електроліту і квазіперіодичне структурування феромагнітних зразків під час їх корозії в однорідному магнітному полі [R1-R3]. Вимірювання проводились зондовим методом у та - відсотковому водному розчині азотної кислоти, у якості зразків застосовувались сталеві циліндри діаметром 500 мкм. Вимірювання показали, що періодичний розподіл потенціалу вздовж поверхні кородуючого елемента виникає за відсутності магнітного поля.

Розподіл потенціалу вздовж кородуючого елемента за відсутності зовнішнього магнітного поля. Агресивне середовище 7% водний розчин

Його амплітуда лінійно залежить від значення напруженості зовнішнього магнітного поля. Період потенціалу, в свою чергу, корелює з відповідним періодом багатовихорової структури електроліту, яка спостерігалась у роботі [R1]. Також показано, що така лінійна залежність квазіперіодичного розподілу потенціалу від зовнішнього магнітного поля узгоджується відповідно до відомої моделі [R3] з квадратичним законом залежності від магнітного поля швидкості обертання електроліту, як , навколо феромагнітного циліндру.

Залежність швидкості обертання електроліту від напруженості магнітного поля, експериментальні дані та результат моделювання.

У другій частині четвертого розділу наведено результати дослідження впливу взаємно перпендикулярних електричного та магнітного полів на структуру поверхні зразків після корозії.

Поверхня сталевого циліндру після корозії в 7 - відсотковому розчині азотної кислоти. Напруженість зовнішнього магнітного поля 3 КЕ Напруга між циліндрами 1,5В, час травлення - 10 хвилин; а) катодна, б) анодна корозія.

Дані дослідження проводились з метою перевірки припущення того, що прикладення великого значення постійного потенціалу до електрохімічної комірки можна було б зруйнувати періодичний розподіл потенціалу в електроліті поблизу поверхні металу, а значить, не лише багатовихорову структуру електроліту, а й квазіперіодичну структуру зразків. Проводилось порівняння параметрів структури поверхні залізних циліндрів за наступних умов корозії: без електричного й магнітного полів; в електричному полі; у магнітному полі; у взаємосхрещених електричному та магнітному полях.

Встановлено, що за відсутності магнітного поля мікроструктура поверхні не залежить від координати вздовж осі циліндра. Квазіперіодичне структурування поверхні циліндрів спостерігалось при прикладенні до електрохімічної комірки однорідного магнітного поля, у цьому випадку на поверхні циліндрів формуються періодичні виступи та впадини, аналогічно роботі [R2].

У результаті проведених досліджень було встановлено, що період квазіперіодичної структури поверхні металевого зразка залежить від концентрації розчину електроліту, напруги між металевими циліндричними елементами та напруженості зовнішнього магнітного поля. Показано, що прикладення електричного потенціалу до електрохімічної комірки змінює параметри мікроструктури зразків як при анодній, так і при катодній корозії, при чому структура поверхні при катодній корозії є більш чітко вираженою, а її період менший, ніж період структури, отриманої при анодній корозії.

Залежність амплітуди квазіперіодичної структури залізного циліндра при його катодній корозії в 7% розчині .

Також у даному підрозділі в рамках моделі «захоплення парамагнітних часток в градієнтному магнітному полі» [R4] надано пояснення збільшенню амплітуди мікроструктури феромагнітного циліндра при його катодній корозії, яке полягає в тому, що вищезгадане виникнення мікроструктури пояснюється наявністю власних просторово-періодичних магнітостатичних полів металевого циліндру.

Залежність довжини виступу квазіперіодичної структури залізного циліндра при його катодній корозії в 7% розчині .

Якщо моделювати окремі елементи періодичної структури як окремі феромагнітні тіла то перший член розкладу можна розглядати як диполь, тоді ці елементи на значних відстанях створюють магнітне поле, близьке до дипольного типу. Тоді при зростанні напруженості зовнішнього магнітного поля область, з якої частки концентруються, збільшується, а значить зростає й амплітуда структури. Аналогічно надано пояснення зменшенню довжини виступу (рис. 11) поряд зі збільшенням довжини впадини квазіперіодичної структури (рис. 12) під час збільшення напруженості прикладеного магнітного поля. Так, як при зростанні напруженості магнітного поля, відповідно до моделі, область захоплення парамагнітних часток зменшується.

Залежність довжини впадини квазіперіодичної структури залізного циліндра при його катодній корозії в 7% розчині .

Таким чином. порівняння результатів експерименту з існуючими моделями парамагнітного захоплення часток підтвердило, що відповідальною за ефекти зміни структури поверхні є саме градієнтна парамагнітна сила, у той час як сила Лоренця в меншій мірі впливає на процес.

ВИСНОВКИ

Таким чином, у дисертації досліджено вплив зовнішнього магнітного поля на структуру міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт та зміну структури кородованих та електроосаджених об'єктів. За результатами проведених досліджень отримано наступні оригінальні результати, які можна сформулювати наступним чином:

1. Отримано експериментально та теоретично пояснено залежності форми гранул електроосаду нікелю від напруженості зовнішнього магнітного поля.

2. Показано, що прикладення просторово періодично розподіленого магнітного поля до електрохімічної комірки призводить до утворення електроосаду нікелю з дендритною структурою в областях з максимальною величиною магнітного поля на поверхні катоду; тоді як в однорідному магнітному полі величиною до 10 кЕ дендритна структура не виникає.

3. Визначено, що характерні розміри дендритних макрообластей електроосаду нікелю в градієнтному полі намагніченої сталевої матриці є немонотонною функцією зовнішнього магнітного поля з одним максимумом у діапазоні вимірювання від 0 до 5 кЕ.

4. Показано, що під час корозії феромагнітного циліндра в зовнішньому однорідному магнітному полі виникає макромасштабний просторово-квазіперіодичний розподіл електричного потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт, період якого корелює з відповідним періодом багатовихорової структури електроліту.

5. Визначено, що амплітуда просторово-квазіперіодичного розподілу потенціалу в електроліті поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт лінійно залежить від зовнішнього магнітного поля.

6. Показано, що лінійна залежність зазначеного квазіперіодичного розподілу потенціалу від зовнішнього магнітного поля узгоджується відповідно до відомої магнітогідродинамічної моделі з квадратичним законом залежності від магнітного поля швидкості обертання електроліту навколо феромагнітного циліндру.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Горобец О.Ю., Дереча Д.А. Квазипериодическое микроструктурирование поверхности железного цилиндра во время коррозии в скрещенных электрическом и магнитном полях // Металлофизика и новейшие технологи. - 2005. - Т. 27, № 9. -С. 1179_1186.

2. Gorobets O. Yu., Derecha D.O. Quasi-periodic microstructuring of iron cylinder surface under its corrosion under combined electric and magnetic fields // Materials Science-Poland. - 2006. - Vol. 24, No. 4. - P. 1017_1025.

3. Gorobets O. Yu., Gorobets V. Yu., Brukva O. M., Derecha D.O. Nickel Electrodeposition under Influence of Constant Homogeneous and High-Gradient Magnetic Field // Journal of Physical Chemistry C. - 2008. - Vol.112. - P. 3373-3375. with supporting information - P. 1-5.

4. Горобец О.Ю., Дереча Д.А., Горобец В.Ю. Микроструктурирование поверхности никелевых пленок при электроосаждении в градиентном магнитном поле. // Материалы международной научно-технической конференции «Материалы и механизмы морского транспорта. Методы исследования и технологии изготовления». - 2008. - Севастополь: Издательство УМИ, - С. 199-204.

5. Пат. 40857 Україна, МПК(2009) B 01 D 35/06, B 03 C 1/02. Спосіб отримання насадки магнітного сепаратора / Горобець С.В., Горобець О.Ю., Дереча Д.О; Заявник та власник НТУУ «КПІ». №u 2008 13975; заявл. 04.12.2008; опубл. 27.04.2009, Бюл. №8.

АНОТАЦІЯ

Дереча Д.О. Особливості структури міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт в магнітному полі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата фізико-математичних наук зі спеціальності 01.04.11 - магнетизм. Інститут магнетизму НАН України та МОН України. Київ, 2010.

В дисертації досліджено вплив однорідного та градієнтного магнітних полів на структуру міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт та особливості протікання електрохімічних процесів. На основі узагальнених результатів, отриманих з використанням комплексу експериментальних методів дослідження, багаторазової відтворюваності та статистичної обробки експериментальних даних, отримано залежності зміни структури поверхні металу від напруженості та напрямку прикладення зовнішнього магнітного поля. Показано, що прикладення просторово періодично розподіленого магнітного поля до електрохімічної комірки дозволяє змінювати структуру поверхні осадів від гладкої, дрібнозернистої до дендритної. Експериментально виявлено просторово-періодичний розподіл електричного потенціалу поблизу міжфазної поверхні феромагнетик-електроліт, який прогнозувався у відомих теоретичних моделях. Надано теоретичне пояснення виявлених ефектів.

Ключові слова: вплив магнітного поля, електроосадження, корозія, структура поверхні, розподіл електричного потенціалу, структурування.

Дереча Д.А. Особенности структуры межфазной поверхности металл-электролит в магнитном поле. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.11 - магнетизм. Институт магнетизма НАН и МОН Украины. Киев, 2010.

В диссертации исследовано влияние однородного и градиентного магнитных полей на структуру межфазной поверхности металл-электролит и особенности протекания электрохимических процессов. На основе обобщенных результатов, полученных с использованием комплекса экспериментальных методов исследования, многоразовой воспроизводимости и статистической обработки результатов, получены зависимости изменения параметров структуры поверхности металлов от напряженности и направления приложения внешнего магнитного поля.

Детально исследовано влияние периодически распределенных в пространстве магнитных полей на структуру поверхности пленок полученных электрохимическим методом. Показано, что использование градиентных магнитных полей приводит к образованию дендритной структуры поверхности в метах с максимальной величиной магнитного поля на поверхности катода, в то время как в однородных магнитных полях структура поверхности остается мелкозернистой. Определено, что характерные размеры дендритных областей являются немонотонной функцией внешнего магнитного поля с одним максимумом в диапазоне измерений от 0 до 5 кЭ. Проведено теоретическую оценку и моделирование такого влияния магнитного поля на основе теории захвата парамагнитных частиц магнитными центрами, и оценку величины градиента магнитного поля над катодом. Показаны возможности практического применения градиентных магнитных полей для изменения структуры поверхности, как всей поверхности пленки, так и определенных её участков.

В диссертации разработана оригинальная методика измерения пространственного распределения электрического потенциала вдоль поверхности корродирующих элементов. Выявлено, что во время коррозии ферромагнитных цилиндров возникает макромасштабное пространственно-квазипериодическое распределение электрического потенциала вблизи межфазной поверхности металл-электролит, которое прогнозировалось теоретически. Показано, что период распределения потенциала коррелирует с периодом многовихревой структуры электролита, а амплитуда линейно зависит от напряженности магнитного поля. Определено, что такая линейная зависимость квазипериодического распределения потенциала от напряженности магнитного поля согласуется с квадратическим распределением зависимости скорости вращения электролита вокруг феррромагнитного цилиндра в магнитном поле, как .

Исследовано влияние взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей на структуру поверхности корродирующих ферромагнитных элементов и особенностей протекания анодной и катодной коррозии. Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что при таких условиях возникает квазипериодическое структурирование поверхности корродирующих элементов. Причём период квазипериодической структуры поверхности металлического образца после коррозии зависит от концентрации раствора электролита, напряжения между металлическими цилиндрическими элементами и напряженности приложенного магнитного поля. Приложение электрического поля изменяет параметры микроструктуры образцов как в случае катодной, так и анодной коррозии, причем структура поверхности при катодной коррозии является более выраженной и короткомасштабной.

Определено, что длина выступа уменьшается, а длина впадины увеличивается при увеличении длительности коррозии, напряженностей приложенных электрического и магнитного полей; разница между диаметрами цилиндра на выступе и на впадине увеличивается для катодной коррозии и уменьшается для анодной коррозии при увеличении длительности коррозии, значения напряжения между цилиндрами и напряженности приложенного магнитного поля. Полученные результаты изменения параметров структуры поверхности объяснены в рамках модели захвата парамагнитных частиц в градиентном магнитном поле. Если моделировать элементы периодической структуры поверхности как отдельные ферромагнитные тела (первый член разложения можно рассматривать как диполь), то эти элементы на значительных расстояниях формируют магнитное поле, близкое к дипольному типу. Тогда с ростом напряженности внешнего магнитного поля область, с которой концентрируются частицы, растёт, а зона осаждения уменьшается; значит, растёт и амплитуда периодической структуры. Аналогично объясняется и рост длины впадины с одновременным уменьшением роста выступа квазипериодической структуры поверхности цилиндров: с ростом напряженности магнитного поля, так как при этом область осаждения парамагнитных частиц уменьшается.

Таким образом, сравнение результатов эксперимента с существующими моделями захвата парамагнитных частиц подтвердило, что ответственной за наблюдаемые эффекты как при электроосаждении, так и при коррозии металлов в магнитном поле является градиентная парамагнитная сила, в то время когда сила Лоренца в меньшей мере влияет на протекание процесса.

Ключевые слова: влияние магнитного поля, электроосаждение, коррозия, структура поверхности, распределение электрического потенциала, коррозия.

Derecha D.A. Features of the metal-electrolyte boundary interface under influence of magnetic field. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree in Physics and Mathematics in specialty 01.04.11 - magnetism. Institute of Magnetism, National Academy of Sciences and Ministry of Education and Science Ukraine, Kyiv, 2010.

A picture of the uniform and gradient magnetic fields influence on the boundary interface ferromagnet-electrolyte surface structure and peculiarities of the electrochemical processes behavior has been received in the thesis.

On the basis of results obtained by means of a complex of the experimental research techniques, multiple reproducibility of the experimental results and it's statistical manipulation the main results has been obtained. Firstly the dependencies of the surface structure parameters on the magnetic field strength and direction has been obtained. Secondary it has been showed that the surface structure of the deposits changes from fine-grained smooth to arborescent under influence of the spatially distributed periodic magnetic field. Besides it has been experimentally uncovered the previously theoretically predicted the spatially periodic distribution of the electric potential near the metal-electrolyte boundary interface. There are detected effects has been theoretically explained.

Key words: influence of magnetic field, electrodeposition, corrosion, surface structure, distribution of electric potential, structuring.

Размещено на Allbest.ru

...