Гальванотехника: от зарождения химии до нанотехнологий

Это замечательное наблюдение Якоби о возможности получения  осадков прочно сцепленных с основой  имеет исключительное значение, т.к. оно открыло возможности для  развития гальваностегии. Как это  видно из цитированной выдержки письма Якоби, особое значение при описании своего открытия он придавал тому металлическому осадку, который плотно держался на катодной пластине.

В России сразу же после  открытия Якоби проявили большой  интерес к гальванопластике. Уже  с начала 1840-х годов многие в Петербурге, а отчасти и в Москве, занимались разработкой вопросов различного технического применения гальванопластики. Наибольшее внимание в первые годы уделялось усовершенствованию технологии копирования «круглой» скульптуры и применению гальванопластики в области полиграфии и художественной печати.

Гальванопластика применялась  и при строительстве храма  Христа Спасителя, замечательного памятника  архитектуры и искусства, построенного в память об изгнании из пределов России войск Наполеона. К сожалению, этот памятник, в котором были произведения замечательных русских скульпторов, мозаистов и художников, был варварски снесен во времена правления большевиков. В коридорах храма, в нишах его стен было помещено 177 мраморных плит, на которых в хронологическом порядке было изложено описание 87 сражений, бывших в пределах России и за рубежом: время и место сражений, фамилии главных начальников, перечень войск и орудий, имена убитых и раненых в том или ином сражении офицеров, общее число выбывших из строя солдат, имена особо отличившихся и награжденных.

Купола и крыша храма  Христа Спасителя были покрыты гальваническим золотом в гальваническом цехе М.Лейхтенбергского. Всего было покрыто около 4600 м² поверхности, на что израсходовано около 426кг золота. Ванны, в которых производилось золочение, вмещали до 5800 л цианидного электролита каждая.

Однако до революции  в России, в основном, существовали небольшие мастерские, в которых  производили декоративное золочение  и серебрение. Применяли также  меднение и латунирование (как правило, в виде подслоя под золото и серебро). Предприятия, использовавшие защитные и защитно-декоративные покрытия цинком и никелем, были редкостью.

В конце 20-х гг. советское  правительство поставило вопрос о необходимости, наряду с дальнейшим ускоренным развитием черной и цветной металлургии, рационального и экономного расходования металла. Был разработан план, предусматривавший снижение потребления дефицитных черных металлов (легированных, конструкционных, инструментальных сталей, высококачественного чугуна) в народном хозяйстве на 15%. С этой целью там, где возможно, их заменяли железом и сталью. Чтобы подобная замена была полноценной и не сказывалась на качестве изделий, предусматривалось широкое использование различных покрытий, например, хромовых.

Вначале научно-исследовательские  работы по изучению явления коррозии и выработке мер борьбы с ней  велись во многих институтах. Однако вскоре стало ясно, что такое распыление средств и кадров не оправдывает  себя. Хотя научные исследования шли  весьма успешно, внедрение их в практику сталкивалось с большими трудностями, заключавшимися, в нехватке научных кадров, практически полном отсутствии на заводах технически грамотных работников по коррозии, отсутствии производства необходимых химикатов и материалов, цветных металлов для анодов, основного и вспомогательного оборудования, лабораторных приборов и оборудования и так далее.

В 1926–1927 годах во всех промышленно развитых странах получило применение хромирование, с которым многие исследователи связывают начало нового периода в развитии гальванотехники. Широкое использование электроосажденного хрома для технических и декоративных покрытий представляло революцию, так как оно включало осаждение металла из ванны совершенно нового типа, в которой требовался более тщательный контроль условий функционирования, чем использовался ранее в большинстве ванн. Знания и оборудование, необходимые для того, чтобы удовлетворить этим требованиям, несомненно, продвинули вперед изучение всех видов покрытий. Промышленное применение хромовых покрытий повлияло на развитие автомобиле- и тракторостроения, внесло новые методы в металлообработку.

Уже около 80 лет гальваническая технология широко применяется в  различных областях индустрии, как  традиционных, так и новейших: машино- и приборостроении, электронике, космической промышленности. Сфера её использования непрерывно расширялась вплоть до 1970–1980-х гг. В середине 1980-х гг. в связи с кризисным положением, обусловленным, с одной стороны, большими объёмами покрытий, с другой – крайней вредностью и неэкономичностью производства, прогнозировалось, что дальнейшее развитие, если не само существование этой отрасли, будет определяться возможностью создания материало- и энергосберегающих технологий нанесения покрытий. Однако на рубеже столетий на основе развития новейших технологий, внедрения в традиционные производства современной техники, компьютеризации удалось найти решение многих проблем, обусловливавших экологическую опасность гальванотехники.

К настоящему времени  с развитием новейших областей техники, высоких технологий всё большее внимание уделяется обработке поверхности, в значительной степени обуславливающей качество изделий. В связи с этим получили широкое развитие новые, главным образом физические методы. Тем не менее до сих пор свыше 80% технологий, позволяющих получать поверхности высокого класса, основаны на «классических» методах – гальванотехнике, термической обработке, окраске, лакировании. Наиболее перспективной среди них остаётся гальванотехника. Ее преимуществами являются высокое качество покрытий, возможности получения осадков различной структуры и толщины на металлических и неметаллических изделиях, осаждения покрытий с широким диапазоном свойств, получения металлических сплавов различного состава и фазового строения без использования высоких температур, разработки новых видов покрытий и т. д.

Долгие дискуссии и  споры, которые происходили в 1970–1980-е  гг. в среде научных работников и производственников, занятых в  области гальванотехники, привели  к радикальному пересмотру всей концепции дальнейшего развития этой области. Эти перемены нашли свое отражение в изменении понимания круга проблем, которые включает данная отрасль. В настоящее время гальванотехника понимается как комплексная научно-техническая отрасль, занимающаяся получением на поверхности изделия или основы (формы) слоёв металлов из растворов их солей под действием электрического тока. Она включает: гальваностегию – нанесение на поверхность изделия тонких металлических покрытий; гальванопластику – осаждение толстых, легко отделяющихся от основы и хорошо воспроизводящих ее рельеф слоёв металла; химические, конверсионные, композиционные покрытия; очистку поверхностей и подготовку их к нанесению покрытия; электрохимическое и химическое полирование; очистку сточных вод гальванических цехов и извлечение из них металлов; инженерную часть, т.е. оборудование гальванических цехов, автоматизацию процессов, контрольную аппаратуру электролитов, покрытий и т.д.; стандартизацию электролитов, добавок, гальванических процессов, режимов работы, а также самих покрытий.

Для отечественной гальванотехники  без преувеличения революционным  шагом явилось признание широкими научными и производственными кругами  того неоспоримого факта, что экологические  проблемы промышленного производства, и гальванического в частности, должны решаться на региональном, а не на отраслевом уровне.

За последние десятилетия  появились новые тенденции развития гальванической технологии. Так, зародившаяся в середине 1970-х годах функциональная гальванотехника нашла широкое применение в новейших отраслях промышленности и высоких технологиях. Чтобы соответствовать запросам и уровню этих областей, она, с одной стороны, претерпевает радикальное техническое переоснащение, с другой – используется в комбинации с другими современными способами обработки поверхности. При этом признано, что именно гальванотехника обладает наиболее широкими возможностями для получения покрытий с заранее заданными свойствами. В результате на базе функциональной гальванотехники и новейших физических способов формируется новая комплексная отрасль, технология и оборудование в которой значительно отличаются от применяемых в традиционном гальваническом производстве, – технология обработки поверхности различными методами.

 

3. Нанотехнологии и  наногальваника

Прогресс не стоит  на месте. И гальванотехника ищет новые пути развития. Нанотехнологический  бум затронул и рассматриваемую  область науки.

Нанотехнология – совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10^-9м; атомы, молекулы).

Наноматериалы – не один «универсальный» материал, это обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами.

Хотя нанотехнологии вызывают в последнее время небывалый  ажиотаж, использование крайне малых (нано) частиц не всегда приводит к созданию принципиально новых продуктов. Тем не менее, последние исследования в области наногальваники доказывают, что результаты опытов по упрочнению покрытий с помощью наночастиц позволяют говорить об использовании нового метода в массовом производстве уже в ближайшем будущем. По большинству показателей новые покрытия в несколько раз превосходит традиционные способы обработки. 

Следует отметить, что  большинство открытий, связанных  с нанотехнологиями, были сделаны  исследователями благодаря счастливой случайности. Например, работа над огнеупорным составом для стеклопластика. Вещество, препятствующее возгоранию поверхности, блокировало также и все остальные реакции. Исследователи решили попробовать использовать различные наночастицы в сочетании с основным раствором. Когда в действие вступает олигомерный компонент, он создает длинную замкнутую цепь молекул, расположенных с небольшими промежутками, в которые и проникают наночастицы, упрочняя тем самым образуемый слой.

В гальванотехнике электролитическое  осаждение структур с узким диапазоном размеров межзеренных границ не только позволяет модифицировать свойства покрытий, но также может способствовать оптимизации получения деталей методом гальванопластики.

Исследования в области  наногальваники совершенно разнообразны. Создаются коррозионозащитные нанолаки; лаки с использованием нанопигментов, содержащих покрытые серебром медные частицы, защищающие от электромагнитного излучения; особо коррозионностойкие многослойные покрытия, включающие диоксид кремния.

Многие учебные заведения  начинают предоставлять выпускникам  последипломный курс по нанотехнологиям, в том числе наногальванике, обеспечивающий их востребованность.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Активное развитие гальванотехники, в частности современной наногальваники, позволяет говорить о том, что  данная область науки ещё далеко не исчерпала себя, и учёные дадут миру ещё множество открытий для улучшения качества тех или иных аспектов жизни людей.

Гальванические исследования с применением нанотехнологий идут сейчас по всему миру. Наша страна – не исключение. К примеру,  с 2007 года в Тамбовском государственном техническом университете ведутся научно-исследовательские работы по созданию технологий получения наномодифицированных гальванических покрытий с улучшенными качественными показателями. В гальванические электролиты добавляются фуллереноподобные углеродные нанотрубки (УНТ) - наноуглеродный материал, зарегистрированного под торговой маркой  «Таунит». Исследования выявили явное улучшение показателей получаемых покрытий.

Гальванотехнике есть куда стремиться и что исследовать, а  главное – гальванические процессы находят широчайшее применение в промышленности, поэтому разработки в данной области ещё не одно десятилетие будут востребованы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список используемой литературы

1. Франклин Б. Опыты и наблюдения над электричеством. - М.: Издательство АН СССР, 1956. 
2. П.С. Кудрявцев, Курс истории физики. М. : «Просвещение», 1982.
3. П.М. Лукьянов, История химических промыслов и химической промышленности России, М. «Наука», 1965.
4. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. – М.: ВШ, 1991.
5. А.Ф. Алабышев. Развитие электрохимической промышленности в СССР, ЖПХ. 30. 1484.1957.
6. В. Штрубе. Пути развития химии. Москва, «Мир», 1984.
7. А. Азимов. Краткая история химии. Москва, «Мир». 1983.
8. В.В.Стендер, Прикладная электрохимия, Харьков, Изд. Харьковского ордена Трудового Красного Знамени Государственного Университета имени А.М.Горького, 1961.