Effect of Current Density and ZrO 2 Concentration on the Microstructure, Mechanical and Tribological Properties of Electro- co-deposited Cu-ZrO 2 Composite Coatings
यह अध्ययन यह प्रदर्शित करता है कि 4 A/dm² के धारा घनत्व और 75 mg/L की ZrO₂ सांद्रता पर स्टेनलेस स्टील पर Cu-ZrO₂ नैनोकम्पोजिट कोटिंग्स का इलेक्ट्रो-को-डेपोज़िटिंग करने से इष्टतम यांत्रिक और ट्राइबोलॉजिकल गुण प्राप्त होते हैं, जिसमें कणों के बेहतर समावेश, ग्रेन रिफाइनमेंट और कोटिंग की सघनता के कारण अधिकतम आसंजन शक्ति और न्यूनतम घिसाव आयतन शामिल है।
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तांबा एक ऐसी धातु है जिस पर इंजीनियरों ने सदियों से भरोसा किया है क्योंकि यह बिजली और ऊष्मा को उल्लेखनीय सहजता से प्रवाहित करती है। यह विद्युत वायरिंग और इंजनों की कूलिंग सिस्टम की रीढ़ है, जो ऊर्जा को कुशलतापूर्वक संचालित करने की अपनी क्षमता के लिए बेशकीमती है। हालाँकि, तांबे की एक बड़ी कमजोरी है: यह अपेक्षाकृत नरम होता है। उन वातावरणों में जहाँ पुर्जे एक-दूसरे से रगड़ खाते हैं या कठोर परिस्थितियों का सामना करते हैं, शुद्ध तांबा तेजी से घिस जाता है, जिससे इसकी उम्र सीमित हो जाती है। इस समस्या को हल करने के लिए, वैज्ञानिक अक्सर तांबे में सूक्ष्म, कठोर कणों को मिलाकर इसे मजबूत करने का प्रयास करते हैं, जिससे एक मिश्रित सामग्री (कंपोजिट मटेरियल) तैयार होती है जो तांबे की चालकता को बनाए रखते हुए सिरेमिक की मजबूती भी प्राप्त कर लेती है। ऐसा ही एक सिरेमिक जिरकोनियम डाइऑक्साइड है, जो अपनी कठोरता और स्थिरता के लिए जाना जाता है। चुनौती इन दोनों सामग्रियों को आपस में मिलाने के सटीक तरीके को समझने में निहित है। उन्हें जोड़ने की प्रक्रिया में एक विद्युत धारा शामिल है जो तरल घोल से धातु और कणों को खींचकर एक सतह पर लाती है, लेकिन उस धारा की गति और तरल में कणों की मात्रा अंतिम परिणाम को नाटकीय रूप से बदल सकती है। यदि मिश्रण गलत है, तो कण आपस में गुच्छे बना सकते हैं या चिपकने में विफल हो सकते हैं, जिससे कोटिंग कमजोर और असमान रह जाती है।
एमिटी यूनिवर्सिटी और गायत्री ऑटो इंडस्ट्रीज के शोधकर्ताओं ने इस मिश्रण के लिए एक आदर्श रेसिपी खोजने का लक्ष्य रखा। उन्होंने स्टेनलेस स्टील की प्लेटों पर जिरकोनियम डाइऑक्साइड नैनोकणों के साथ सुदृढ़ तांबे की एक परत चढ़ाने पर ध्यान केंद्रित किया। उनका लक्ष्य यह देखना था कि तरल में जिरकोनियम डाइऑक्साइड की मात्रा और कोटिंग जमा करने के लिए उपयोग की जाने वाली विद्युत धारा की शक्ति—इन दो विशिष्ट चरों को बदलने से अंतिम उत्पाद पर क्या प्रभाव पड़ता है। उन्होंने कॉपर सल्फेट युक्त एक तरल स्नान (लिक्विड बाथ) तैयार किया और उसमें 25, 50, 75 और 100 मिलीग्राम प्रति लीटर की चार अलग-अलग सांद्रता में जिरकोनियम डाइऑक्साइड के कण मिलाए। प्रत्येक सांद्रता के लिए, उन्होंने 3 और 4 एम्पीयर प्रति वर्ग डेसीमीटर की दो अलग-अलग करंट स्ट्रेंथ पर इलेक्ट्रो-डिपोजिशन प्रक्रिया चलाई। उन्होंने तापमान और भागों के तरल में रहने के समय जैसे अन्य सभी कारकों को बिल्कुल समान रखा। इन कोटिंग्स का परीक्षण करके, वे देख सके कि इन समायोजनों के साथ आंतरिक संरचना, कठोरता, घिसावट प्रतिरोध और धातु से चिपके रहने की क्षमता कैसे बदलती है।
जब टीम ने एक शक्तिशाली सूक्ष्मदर्शी के नीचे कोटिंग्स की सतह का परीक्षण किया, तो उन्होंने कणों की मात्रा के आधार पर स्पष्ट अंतर देखा। सबसे कम जिरकोनियम डाइऑक्साइड वाली कोटिंग्स खुरदरी, पिरामिड के आकार के क्रिस्टल जैसी दिखीं जिनके बीच बड़े अंतराल थे। जैसे-जैसे उन्होंने कणों की मात्रा बढ़ाकर 50 और 75 मिलीग्राम प्रति लीटर की, सतह बहुत चिकनी और सघन हो गई, और धातु के दाने (ग्रेन्स) काफी छोटे और करीब हो गए। कणों ने छोटे एंकरों की तरह काम किया जिन्होंने धातु के दानों को बहुत बड़ा होने से रोक दिया, जिससे एक सघन संरचना बनी। हालाँकि, जब उन्होंने सांद्रता को 100 मिलीग्राम प्रति लीटर तक बढ़ाया, तो कण आपस में गुच्छे बनाने लगे, जिससे सतह पर छोटी अनियमितताएं पैदा हो गईं। विद्युत धारा की शक्ति ने भी भूमिका निभाई; उच्च धारा ने आम तौर पर अधिक कणों को कोटिंग में खींचने और एक महीन ग्रेन संरचना बनाने में मदद की, लेकिन केवल तभी जब कण तरल में अच्छी तरह से बिखरे हुए हों।
टीम ने पुष्टि की कि ये संरचनात्मक परिवर्तन महत्वपूर्ण थे। शोधकर्ताओं ने एक सूक्ष्म हीरे की नोक को सतह पर दबाकर कोटिंग की कठोरता को मापा। उन्होंने पाया कि अधिक जिरकोनियम डाइऑक्साइड मिलाने से कोटिंग कठोर हो गई, जिसमें सबसे कठोर नमूना 100 मिलीग्राम कणों और उच्च धारा के साथ 125 तक पहुँचा। हालाँकि, कठोरता ही एकमात्र लक्ष्य नहीं थी। उन्होंने एक विशिष्ट भार के तहत स्टील पिन को उनके ऊपर रगड़कर कोटिंग के घिसावट प्रतिरोध का भी परीक्षण किया। यहाँ, परिणामों ने एक 'स्वीट स्पॉट' (आदर्श बिंदु) दिखाया। जबकि सबसे कठोर कोटिंग में सबसे अधिक कण थे, वह कोटिंग जिसने रगड़ने के परीक्षण के दौरान सबसे कम सामग्री खोई, वह 7 la 75 मिलीग्राम जिरकोनियम डाइऑक्साइड और 4 एम्पीयर की उच्च धारा वाली थी। इस नमूने ने केवल 2.17 क्यूबिक मिलीमीटर सामग्री खोई, जो सबसे कम दर्ज की गई मात्रा थी। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि 100 मिलीग्राम कणों वाली कोटिंग 75 मिलीग्राम वाले संस्करण की तुलना में वास्तव में थोड़ी अधिक घिस गई, जिसका कारण संभवतः कणों का गुच्छा बनना था जिससे कमजोर बिंदु बन गए जो परीक्षण के दौरान टूट गए।
अंत में, टीम ने स्टेनलेस स्टील के नीचे की कोटिंग के जुड़ाव (एडहेसन) की जांच की। एक कोटिंग जो कठोर है लेकिन आसानी से निकल जाती है, वह बेकार है। उन्होंने कोटिंग के अलग होने के लिए आवश्यक बल को मापने के लिए उसे खींचा। एडहेसन (जुड़ाव) 75 मिलीग्राम सांद्रता पर सबसे मजबूत था, जहाँ कोटिंग ने 26.8 मेगापास्कल के बल के साथ मजबूती से पकड़ बनाए रखी। उच्चतम 100 मिलीग्राम सांद्रता पर, एडहेसन स्ट्रेंथ में थोड़ी गिरावट आई, जो फिर से यह संकेत देता है कि कणों के गुच्छे बनने से वे कमजोर बिंदु बन गए जहाँ कोटिंग धातु से अलग हो सकती थी। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि हालांकि कणों की मात्रा बढ़ाने से आमतौर पर तांबा कठोर होता है, लेकिन सर्वोत्तम समग्र प्रदर्शन एक संतुलित दृष्टिकोण से आया। तांबा-जिरकोनियम डाइऑक्साइड कोटिंग बनाने के लिए आदर्श स्थिति, जो कठोर, घिसावट-प्रतिरोधी और धातु के साथ मजबूती से जुड़ी हो, 75 मिलीग्राम जिरकोनियम डाइऑक्साइड प्रति लीटर की सांद्रता और 4 एम्पीयर प्रति वर्ग डेसीमीटर की करंट डेंसिटी पाई गई। यह विशिष्ट संयोजन कणों का सबसे समान वितरण, सबसे सघन ग्रेन संरचना और घिसावट के विरुद्ध सबसे अच्छा संरक्षण प्रदान करता है, जो मांग वाले अनुप्रयोगों में तांबे के घटकों के स्थायित्व को सुधारने का एक स्पष्ट मार्ग प्रदान करता है।
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