Высокие технологии электроды: Производство электродов для сварки — Высокие Технологии

Содержание

Продукция — Высокие Технологии

  • Сварочные электроды
  • Сухая шихта покрытий электродов
  • Компоненты для производства сварочных электродов
  • Силикат калиево-натриевый, натриево-калиевый (силикатная глыба)
  • Технологическое сопровождение производства сварочных электродов

Просмотреть каталог (PDF)

Скачать прайс-лист (Excel)

Сравнительный расход  электродов МР-3С «НЕРО»™, ООО «Высокие Технологии»
в сравнении с другими производителями МР-3С для выполнения сварного шва:

Наименование показателей

Электроды «НЕРО»  МР-3С ø 4,0мм  

Дешевые электроды марки МР-3С ø 4,0мм

1. Вес наплавленного металла при сварке одним электродом МР-3С ø 4,0мм, г

37,5

28,0

2. Вес брызг, г

1,123

4,836

3. Коэффициент разбрызгивания Кбр., %

1,123/37,5*100%=2.99

4,836/28*100%=17,27

4. Длина шва, наплавленного одним электродом, см

L=37,5/0,374*7,8=12,85 см

L=28/0,374*7,8=9,6см

5. Среднее количество электродов МР-3С  ø4,0мм в 1кг, шт.

16,67

16,67

6.Средний вес 1 электрода МР-3С ø4,0мм, г

60

60

7.Количество электродов МР-3С ø 4,0мм  для выполнения  шва 1м

100/12,85 = 7,78шт. (0,467кг)

100/9,6 =10,42шт. (0,625кг)

8.Длина шва в метрах, выполненного из 1кг электродов  МР-3С  ø 4,0мм.

1/0,496=2,14м

1/0,625=1,6м

9. Коэффициент перехода металла в шов, %

Aп= 37,5/43,9*100%=85,42

Aп= 28/43,9*100%=63,8

10. Расход электродов на 1кг наплавленного металла, кг

1) 1000/37,5=26,67шт. электродов
2) 26,67 * 0,06=1,6кг

1) 1000/28=35,71шт. электродов
2) 35,71 * 0,06=2,14кг

11. Трудоемкость выполнения сварки снизится на 25 % за счет снижения количества электродов для выполнения шва 1м.

Выводы:
1. (2,14-1,6)/1,6*100% = 33,75 % — экономически выгоднее использование качественного электрода «НЕРО» по сравнению с дешевым низкокачественным конкурентом.


2. Эффект от снижения трудоемкости использования электродов даст экономический эффект  2,97%.
3. Эффект от экономии электроэнергии при использовании качественного электрода составит  3,33 %

Итого суммарный экономический эффект от использования качественных сварочных электродов «НЕРО» составляет около 40,05%. Данный поправочный коэффициент можно использовать в тендерах при пересчете цены для сопоставления целесообразности приобретения электродов.

Рекомендации для введения в тендерную документацию:


— Коэффициент разбрызгивания  электродов марки  МР-3С не должен превышать 3,5-5,0%.
— Коэффициент перехода металла в шов: Ап=н.м./м.ст. *100%, где м.ст.=43,9 г — масса металла стержня, н.м. — масса наплавленного металла.
— Зная вес наплавлен. металла одним электродом можно просчитать расход электродов на 1кг наплавленного металла, кг.

 

 

Cравнительные характеристики электродов МР-3С торговой марки «НЕРО»
 с характеристиками электродов МР-3С регламентируемыми ГОСТ 9466-75:


Наименование показателей

Электроды «НЕРО»  МР-3С ø 4,0мм  

Электроды МР-3С
 ø 4,0мм по ГОСТ

Средние значения механических свойств металла шва

 

1. Временное сопротивление разрыву, dв МПа

490-510

430-460

2. Относительное удлинение, ds, %

28

18-22

3. Коэффициент разбрызгивания Кбр., %

2,99

3,5-5

4. Предел текучести, dт  МПа

370

370

5. Ударная вязкость КСUШ,  Дж/см²

120

50-80

6. Коэффициент наплавки, г/А ч

9

8,5

7.Расход электродов на 1кг наплавленного металла , кг

1,6

1,7

8.Производительность, кг/ч

1,4

1,5-1,6

Среднее значение химического состава наплавленного металла, %

 

С

0,09

0,12

Мn

0,57-0,75

0,35-0,7

Si

0,08

0,15-0,30

S

0,012

0,035-0,04

P

0,028

0,035-0,045

Сера и фосфор являются вредными примесями металла шва. Сера способствует образованию горячих трещин, а фосфор вызывает неоднородность металла шва и резкое снижение его пластичности.
Наличие кислорода в металле шва ухудшает пластичность и вязкость стали в два раза, что может привести сварную конструкцию к разрушению.
Кислород, сера и фосфор удаляются из металла шва путем добавления марганца, кремния и кальция, которые, вступая в реакцию с вредными примесями, образуют оксиды и сульфиды, не растворяющиеся в стали и переходящие в шлак.
Поэтому пониженное содержание в наплавленном металле шва серы и фосфора, а также повышенное содержание марганца в 3-10 раз улучшает прочность шва и эксплуатационные свойства свариваемых электродами «НЕРО» материалов, что гарантирует безопасность и долговечность металлических конструкций и изделий.

Выводы: сварочные электроды «НЕРО»™ по своим сварочным, механическим и химическим свойствам металла шва намного превосходят аналогичные марки других производителей, что является их безусловным преимуществом при выборе данного электрода на промышленных предприятиях машиностроения, металлургии, нефтегазовой отрасли, в строительстве и других сферах народного хозяйства.

 

Просмотреть каталог (PDF)

Скачать прайс-лист (Excel)

Продукция — Высокие Технологии

  • Сварочные электроды
  • Сухая шихта покрытий электродов
  • Компоненты для производства сварочных электродов
  • Силикат калиево-натриевый, натриево-калиевый (силикатная глыба)
  • Технологическое сопровождение производства сварочных электродов

Просмотреть каталог (PDF)

Скачать прайс-лист (Excel)

Сравнительный расход  электродов МР-3С «НЕРО»™, ООО «Высокие Технологии»
в сравнении с другими производителями МР-3С для выполнения сварного шва:

Наименование показателей

Электроды «НЕРО»  МР-3С ø 4,0мм  

Дешевые электроды марки МР-3С ø 4,0мм

1. Вес наплавленного металла при сварке одним электродом МР-3С ø 4,0мм, г

37,5

28,0

2. Вес брызг, г

1,123

4,836

3. Коэффициент разбрызгивания Кбр., %

1,123/37,5*100%=2.99

4,836/28*100%=17,27

4. Длина шва, наплавленного одним электродом, см

L=37,5/0,374*7,8=12,85 см

L=28/0,374*7,8=9,6см

5. Среднее количество электродов МР-3С  ø4,0мм в 1кг, шт.

16,67

16,67

6.Средний вес 1 электрода МР-3С ø4,0мм, г

60

60

7.Количество электродов МР-3С ø 4,0мм  для выполнения  шва 1м

100/12,85 = 7,78шт. (0,467кг)

100/9,6 =10,42шт. (0,625кг)

8.Длина шва в метрах, выполненного из 1кг электродов  МР-3С  ø 4,0мм.

1/0,496=2,14м

1/0,625=1,6м

9. Коэффициент перехода металла в шов, %

Aп= 37,5/43,9*100%=85,42

Aп= 28/43,9*100%=63,8

10. Расход электродов на 1кг наплавленного металла, кг

1) 1000/37,5=26,67шт. электродов
2) 26,67 * 0,06=1,6кг

1) 1000/28=35,71шт. электродов
2) 35,71 * 0,06=2,14кг

11. Трудоемкость выполнения сварки снизится на 25 % за счет снижения количества электродов для выполнения шва 1м.

Выводы:
1. (2,14-1,6)/1,6*100% = 33,75 % — экономически выгоднее использование качественного электрода «НЕРО» по сравнению с дешевым низкокачественным конкурентом.
2. Эффект от снижения трудоемкости использования электродов даст экономический эффект  2,97%.
3. Эффект от экономии электроэнергии при использовании качественного электрода составит  3,33 %

Итого суммарный экономический эффект от использования качественных сварочных электродов «НЕРО» составляет около 40,05%. Данный поправочный коэффициент можно использовать в тендерах при пересчете цены для сопоставления целесообразности приобретения электродов.

Рекомендации для введения в тендерную документацию:
— Коэффициент разбрызгивания  электродов марки  МР-3С не должен превышать 3,5-5,0%.
— Коэффициент перехода металла в шов: Ап=н.м./м.ст. *100%, где м.ст.=43,9 г — масса металла стержня, н.м. — масса наплавленного металла.
— Зная вес наплавлен. металла одним электродом можно просчитать расход электродов на 1кг наплавленного металла, кг.

 

 

Cравнительные характеристики электродов МР-3С торговой марки «НЕРО»
 с характеристиками электродов МР-3С регламентируемыми ГОСТ 9466-75:


Наименование показателей

Электроды «НЕРО»  МР-3С ø 4,0мм  

Электроды МР-3С
 ø 4,0мм по ГОСТ

Средние значения механических свойств металла шва

 

1. Временное сопротивление разрыву, dв МПа

490-510

430-460

2. Относительное удлинение, ds, %

28

18-22

3. Коэффициент разбрызгивания Кбр., %

2,99

3,5-5

4. Предел текучести, dт  МПа

370

370

5. Ударная вязкость КСUШ,  Дж/см²

120

50-80

6. Коэффициент наплавки, г/А ч

9

8,5

7.Расход электродов на 1кг наплавленного металла , кг

1,6

1,7

8.Производительность, кг/ч

1,4

1,5-1,6

Среднее значение химического состава наплавленного металла, %

 

С

0,09

0,12

Мn

0,57-0,75

0,35-0,7

Si

0,08

0,15-0,30

S

0,012

0,035-0,04

P

0,028

0,035-0,045

Сера и фосфор являются вредными примесями металла шва. Сера способствует образованию горячих трещин, а фосфор вызывает неоднородность металла шва и резкое снижение его пластичности.
Наличие кислорода в металле шва ухудшает пластичность и вязкость стали в два раза, что может привести сварную конструкцию к разрушению.
Кислород, сера и фосфор удаляются из металла шва путем добавления марганца, кремния и кальция, которые, вступая в реакцию с вредными примесями, образуют оксиды и сульфиды, не растворяющиеся в стали и переходящие в шлак.
Поэтому пониженное содержание в наплавленном металле шва серы и фосфора, а также повышенное содержание марганца в 3-10 раз улучшает прочность шва и эксплуатационные свойства свариваемых электродами «НЕРО» материалов, что гарантирует безопасность и долговечность металлических конструкций и изделий.

Выводы: сварочные электроды «НЕРО»™ по своим сварочным, механическим и химическим свойствам металла шва намного превосходят аналогичные марки других производителей, что является их безусловным преимуществом при выборе данного электрода на промышленных предприятиях машиностроения, металлургии, нефтегазовой отрасли, в строительстве и других сферах народного хозяйства.

 

Просмотреть каталог (PDF)

Скачать прайс-лист (Excel)

ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, Москва — прайс-лист (360 предложений) и контакты

  ООО «ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» г.Ростов, Ярославской области  входит в Ассоциацию «Электрод» предприятий стран СНГ. Наше предприятие специализируется на производстве широкой номенклатуры сварочных и наплавочных электродов.
    ООО «ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» является предприятием полного цикла производства, включающего современное оборудование и технологию на всех участках технологического цикла. Для изготовления электродов используется только высококачественное сырье от проверенных производителей. На предприятии постоянно ведется работа, направленная на совершенствование сварочно-технологических свойств электродов. 
 

Наши преимущества

 Предприятие выпускает как электроды общего назначения диаметром 2,5-5,0мм марок МР-3, МР-ЗС, ОЗС-12, АНО-21, УОНИ 13/45, УОНИ 13/55, так и электроды специального назначения по собственной документации, зарегистрированной в Госстандарте. Электроды сертифицированы в системе сертификации ГОСТ Р, НАКС, Российским Морским Регистром.
     Качественные сварочные электроды ТМ «НЕРО» АНО-21, ОЗС-12, МР-3С, ОЗС-12-З, УОНИ 13МОРОЗ по сварочным свойствам не уступают электродам ESAB и другим зарубежным аналогам.
 

Товары и услуги компании ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

электроды общего назначения диаметром 2,5-5,0мм марок МР-3, МР-ЗС, ОЗС-12, АНО-21, УОНИ 13/45, УОНИ 13/55 и другие, электроды специального назначения ЦЛ-11, Т-590, ЦЧ-4, ОЗЛ-6, ОЗЛ-8, ОЗР-1 и другие.
.

Общие сведения

Тип компании:
  • Оптовый продавец
  • Производитель
  • Розничный продавец

Размер компании:
В компании работает до 50 человек

Год основания:
Компания ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ основана в 2011 году

Как самым коротким путем доехать до компании?

Посмотреть карту проезда, путь от метро, остановки общественного транспорта к компании ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ в городе Москва на Propartner

Смотреть на карте

Узнайте цены на товары и услуги

Скачайте прайс-лист компании ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ в городе Москва на Propartner

Не нашли интересующую информацию?

Спросите у экспертов фирмы ООО ВЫСОКИЕ ТЕХНОЛОГИИ и получите полные ответы на все вопросы за минимальный срок.

Написать

Электроэрозионная обработка, электроэрозионные станки, инструменты, Виды электроэрозионной обработки, Технологии электроэрозионной обработки, процесс электроэрозионной обработки, Технологии электроэрозионной обработки, Преимущества и недостатки электроэрозионной обработки, Оборудование для электроэрозионной обработки

Главная страница » Электроэрозионная обработка


Электроэрозионная обработка

 

Электроэрозионная обработка (ЭЭО) заключается в изменении формы, размеров, шероховатости и свойств поверхности электропроводной заготовки под действием электрических разрядов между заготовкой и электродом-инструментом.

ЭЭО относится к электрофизическим методам обработки. Ее технология придумана супружеской парой российских ученых Лазаренко еще в 50-х годах двадцатого века. Но нынешнее использование она обрела только в семидесятых.

ЭЭО дает возможность изготавливать предметы, которые невозможно получить с помощью традиционного механического метода обработки металлов. Можно создать глубокие пазы, делать изделия с малыми внутренними радиусами, выполнять точную штамповую оснастку и многие другие виды работ.
 

Суть процесса электроэрозионной обработки

 

Два электрода, одним из которых является электрод-инструмент (1), а вторым само металлическое изделие (2) помещаются в жидкость с низкой диэлектрической проницаемостью и соединяются с генератором электрических импульсов. Электроды имеют разную полярность.

 

 

Так между двумя электродами образуется электрическое поле, причем напряженность этого поля зависит от расстояния между самими электродами. При приближении электрода-инструмента к электроду-заготовке напряженность возрастает, и как только электроды сблизятся до определенной малой величины (5…100 мкм) произойдет пробой диэлектрической жидкости. Жидкость нагреется до высоких температур и образуется газовый пузырь из паров жидкости. Возникший разряд электрического тока протекает как раз уже в газовой среде пузыря, под действием этого разряда и происходит нагревание и расплавление участка заготовки, Расплавленный маленький участок материала охлаждается и застывает в виде «шариков» диаметром 0,005…0,01 мм в диэлектрической жидкости, опускается на дно ванны или удаляется потоком жидкости, а на обрабатываемой поверхности образуется лунка. В виду локального нагрева электродов до высоких температур, ЭЭО называют обработкой, основанной на тепловом действии электрического тока.

Такие разряды происходят периодически, импульсно. Частота импульсов и их длительность играют важную роль на достижение качества обрабатываемой детали. Например, чем меньше длительность импульса, тем меньше шероховатость поверхности.

Движение инструмента вызывает дальнейшие разряды один за другим, при этом разряд всегда происходит между ближайшими точками электродов. Даже на гладких поверхностях имеются микронеровности, и при сближении электродов всегда найдутся две близкорасположенные друг к другу точки электродов, между ними и происходит разряд.

Таким образом процесс ЭЭО состоит из двух этапов: сначала происходит электрический пробой диэлектрической жидкости, а затем устанавливается дуговой разряд.

Процесс ЭЭО основан на электрической эрозии, т.е. разрушении верхнего слоя поверхности детали от воздействия электрических разрядов. Когда-то этот процесс считался только как отрицательный, но с применением его в качестве размерной обработки материалов, он приобрел и положительный эффект.

 

Процесс электроэрозионной обработки происходит до тех пор, пока не будет выбран весь материал или не будут достигнуты нужные размеры детали. Заготовка постепенно будет принимать форму инструмента.

В качестве диэлектрической жидкости выступают ликвидные смеси, такие как: керосин, спиртовые растворы, маслянистые жидкости, вода и т.д.

В представленной схеме заготовка имеет положительный полюс и она является анодом, а инструмент отрицательный полюс, он является катодом. От воздействия разрядов происходит разрушение обоих электродов и какой электрод будет разрушаться больше зависит от многих факторов — полярного эффекта, а также материала электродов и т.д. Повышение эрозии одного электрода относительно другого электрода и есть полярный эффект.

Прямой полярностью называют такое подключение полюсов к электродам, которое вызывает большую эрозию обрабатываемого электрода-заготовки. Соответственно, когда эрозия электрода-инструмента больше, чем электрода-заготовки подключение называют обратной полярностью.

Учитывая это, электрод-инструмент необходимо изготавливать из материалов стойких к электрической эрозии, таких как латунь, медь, графит, вольфрам и т.д.
 

Виды электроэрозионной обработки

 

Выделяют 4 вида электроэрозионной обработки:

— Электроискровая

— Электроимпульсная

— Анодно-механическая

— Электроконтактная

Данные виды ЭЭО используются для проведения размерной обработки изделия, а также два из них электроискровая и электроимпульсная обработки могут использоваться еще и для упрочнения или покрытия поверхности.

По методам подвода энергии ЭЭО разделяют на три группы:

— Через контакт. К этой группе относится электромеханический способ.

— Через канал разряда. Электроискровой и электроимпульсный способы.

— Комбинированный контактно-дуговой. Электроконтактный и Анодно-механический способ.

Также выделяют и следующие виды ЭЭО:

— Электроэрозионная комбинированная. Ее суть заключается в том, что она выполняется в одно время с остальными видами работы над металлом.

— Комбинированная электро-химическая. Осуществляется одновременно с электрическим и химическим расщеплением структуры материала детали в электролите.

— Электроэрозионная абразивная. Суть лежит в разрушении металлической заготовки с помощью абразивной обработки.

Электроискровая и электроимпульсная обработки отличаются друг от друга устройством генератора импульсов, формой импульса, полярностью электродов и т.д. А электроконтактная, анодно-механическая обработки отличаются родом тока и рабочей средой.

Но суть всех этих видов остается одной, а именно — удаление металла в результате термического действия электрического тока.
 

Технологии электроэрозионной обработки

 

С помощью ЭЭО проводятся операции:

• Прошивание. Электрод-инструмент углубляется в электрод-заготовку и образует отверстие постоянного сечения.

Прошивание отверстий является одной из распространенных операций. Методом ЭЭО возможно обрабатывать отверстия длиной до 20 диаметров, а используя трубчатый электрод-инструмент и до 40 диаметров. При вращении электрода-инструмента или обрабатываемой поверхности, или одновременно и инструмента, и заготовки, глубина отверстия может быть увеличена.

Также прошиванием обрабатывают узкие щели, пазы, окна, карманы и другие элементы, которые механическими методами обработать невозможно.

• Копирование. ЭЭО обработка, при которой форма детали повторяет форму инструмента. Таким методом обрабатывают объемные поверхности.

• Отрезание/вырезание.

• Сложноконтурная проволочная вырезка. Вырезку контурной детали можно сделать и путем прошивания, но для этого нужен электрод-инструмент, имеющий форму детали, что не отвечает требования экономичности.

При проволочной вырезке инструментом является тонкая проволока из меди, латуни, вольфрама. Диаметр проволоки от нескольких микрон до 0,5 мм. Проволока перематывается с катушки на катушку для обеспечения равномерности износа проволоки. Данный метод обеспечивает высокую точность обрабатываемой детали, плюс данный процесс полностью автоматизирован.

• Шлифование. Применяют для чистовой обработки труднообрабатываемых материалов и твердых сплавов.

• Доводка.

• Маркирование. Нанесение букв, цифр, логотипов высокого качества и не вызывает внутренние напряжения, деформации деталей, что имеет место при ударном маркировании.

• Упрочнение. Придание поверхности детали особых свойств. Этот процесс называют электроэрозионным легированием, его сущность заключается в перенесении материала электрода на заготовку. Данный процесс создает износоустойчивый упрочненный поверхностный слой детали.

• Другие виды операций.

Невозможно не подчеркнуть то, что электроэрозионная обработка металлов дает возможность получить поверхности самых разных конфигураций и геометрических форм при минимальных трудозатратах.

 

 

Преимущества и недостатки электроэрозионной обработки

Такая обработка в ряде случаев является одним из самых экономически выгодных способов обработки изделий. Детали, изготовленные по такой технологии, отличаются высоким уровнем прочности и точностью исполнения. Преимуществами данного метода являются:

• Глубокая обработка заготовки. Глубина прошиваемого отверстия может достигать 40 диаметров.

• Подходит для задач, с которыми не справляются методы механической обработки, например, обработки закрытых полостей с фигурной поверхностью дна, малыми внутренними радиусами и т.д. Механическая обработки ограничена радиусом фрезы, в том время, как ЭЭО позволят получать радиус порядка 0,1мм. Изделия могут иметь совершенно различную форму.

• Обеспечивается высокая точность резки до 0,001 мм, и низкая шероховатость поверхности.

• Бесшумность.

• Экономное использование ресурсов. Малый износ инструментов и т.д.

• Применим для материалов любой плотности, таких как труднообрабатываемые материалы, твердые сплавы и другие очень прочные материалы.

• Не нуждается в промежуточных операциях, ЭЭО позволяет получать полностью готовую деталь.

• Однородная поверхность детали.

• Снижает риски деформации тонкостенных деталей, которая наблюдается при механической обработке.

Стоит отметить и то, что ЭЭО обладает также и рядом недостатков, а именно:

• Не высокая производительность.

• Высокое энергопотребление.

• ЭЭО применима только для электропроводящих материалов.

Не смотря на недостатки, электроэрозионная обработка обладает большим потенциалом, и широко применяется в промышленности. Например, для обработки глубоких полостей с малыми внутренними радиусами, узких пазов и многих других элементов применяется только электроэрозионная обработка.

Достоинства электроэрозионной обработки хорошо видны в ходе создания техоснастки и сопутствующих элементов: матрицы, пунсона, лекального шаблона, прессовой формы и других деталей из труднообрабатываемых материалов и твердых сплавов.

 

 

Оборудование для электроэрозионной обработки

Этим устройством принято считать электроэрозионный станок. Он поможет создать фасонные полости и профильные пазы на изделиях из твердых материалов.

Касательно количества видов фасонных полостей и других элементов, которые сейчас уже применяются в различных отраслях промышленности, то следует отметить, что объемы их внушительные. И с развитием ЭЭО детали будут усложняться и дальше.

С этим связано и развитие оборудования совершенно в различных направлениях, например, обеспечения возможности обработки больших габаритных деталей, обработки под углом, параллельной обработки нескольких деталей (пакетом) и других возможностей, а также в направлении снижения энергопотребления, повышения производительности и т. д.
Автоматизация таких станков дает значительный эффект, так применение станков с ЧПУ, позволяет снизить трудоемкость обработки изделий.

Электроэрозионные станки обычно просты в использовании и обеспечивают их быструю переналадку.
 

Проектирование электроэрозионной обработки

 

Технологическая подготовка производства изделий на электроэрозионных станках связана с множеством задач, в том числе и с проектированием электродов-инструментов. Такие инструменты обычно имеют сложные поверхности и предназначены для обработки штампов и других деталей.

Чтобы создать такой электрод нужно спроектировать его 3d-модель, выпустить конструкторскую документацию и разработать технологический процесс изготовления электрода, а также разработать управляющую программу для его обработки на станке с ЧПУ. Данные задачи решаются с помощью автоматизированных CAD/CAM-систем.

 

 

В случае проволочно-вырезной электроэрозионной обработки необходима подготовка соответствующих данных (чертежей, управляющих программ) для работы станка. Для этого используются специальные модули «Электроэрозионная обработка», которые уже стандартно входят в состав различных CAD/CAM-систем.

 

 

Технологическая подготовка производства и проектирование операции электроэрозионной обработки является важным этапом, так как она применяется на дорогостоящих деталях и из дорогостоящих материалов, поэтому осуществляется высококвалифицированными специалистами.
 

Заключение

 

Технология электроэрозионной обработки широко развивается и стала одним из распространенных способов обработки материалов, она прочно вошла в жизнь современной промышленности.

Ее использование позволяет легче воплотить в жизнь более лучшие конструкторские решения при создании деталей, к которым предъявляются высокие требования надежности, жесткости, и изготавливаемых из твердых и труднообрабатываемых материалов. Данные детали в свою очередь совершенствуют различную технику.

Таким образом, результатом электроэрозионной обработки является деталь с самой разной и сложной конструкцией.

 

Похожие записи:

Электроды по производителю

Рынок электродов в России составляет множество производителей. У каждого свой опыт, но любой из них надежен как с точки зрения производства электродов, так и с точки зрения партнерства.

Российское производство имеет значимость в промышленных отраслях и строительстве, что связано с возможностью отдельно взятого предприятия предложить широкий ассортимент с хорошим качеством и по приемлемой цене.

Наиболее востребованными и дешевыми марками являются УОНИ-13/55, МР-3 и ЦЛ-11. В РФ рынок электродов отличается размеренным развитием. И хотя ситуация в целом благоприятна и вероятно такой останется в будущем, имеется ряд проблем, главной из них считается плохая информированность клиентов о рынке, находящихся на нем производителях, марках материалов и поставщиках. На втором месте находится проблема, связанная с нежеланием российского потребителя пробовать новые марки электродов – консервативные взгляды и наличие давно знакомых дешевых марок мешает совершить выбор в пользу нового.

Прежде, чем сделать выбор электродов по производителю, их нужно разделить на 2 категории:

  • крупные производители;
  • импортные.

Среди импортных предприятий чаще всего производители из Беларуси и Украины, несмотря на высокое качество марок, они дороже отечественных (даже те, что по цене обычно дешевые), поэтому поиск электродов всё же стоит начинать, исходя из ценовых категорий/марки, после чего выбирать приемлемого производителя.

УОНИ-13/55 – являются наиболее дешевыми и высококачественными электродами, т.к. применимы в работах разной сложности и при любой температуре среды. Полученные ими швы обладают выносливостью к появлению трещин. Коэффициент наплавки: 9,5 г/А ч, расход на 1 кг металла: 1,7 кг.

Производителем электродов является Компания «Сварка Евразии», которая выпускает их под торговой маркой «Спецэлектрод». Организация, существующая уже более 70 лет, занимается производством электродов по резке, сварке металлов для конструкций.

Производитель может вести всё производство от начала и до конца работы. Их ассортимент составляет около 190 марок. На российском внутреннем рынке компании принадлежит доля свыше 30%, на её продукцию есть спрос и на ближнем зарубежье.

Компанией разработаны и реализованы в производстве электроды, использованные позже в судостроении, космических технологиях и энергетике. Компания внедрила Стандарт ISO 9001:2008.

МР-3 (МР-ЗС) – несколько дороже, чем УОНИ-13/55, но наиболее популярные электроды, подходящие для 90% работ. Популярность обусловлена относительной дешевизной и высокими характеристиками (качество шва и неприхотливость в эксплуатации). Электроды МР-3С применяются для сварки углеродистой стали (прочность – 490 Мпа).

МР-3С по свойствам схож с АНО-4, ESAB ОК 46.00, Lincoln Eleсtric OMNIA 46. Механические свойства шва – 471 МПа (прочность), 150 Дж/см2 (по ударостойкости). По прочности МР-3С проигрывает ESAB ОК 46. 00 и Lincoln Eleсtric OMNIA 46 – у них 515 и 600 МПа соответственно. По ударопрочности МР-3С лучше ESAB ОК 46.00, но хуже Lincoln Eleсtric OMNIA 46.

Электроды МР-3, диаметр которых 2.0, 2.5, 3.0, 4.0 мм способны вести сварку во всех сварочных положениях, 5 мм – нет верхнего расположения, а 6 мм лишь нижние швы. Для варки применяется постоянный ток обратной направленности.

Производитель электродов – предприятие «Межгосметиз-Мценск», входящее в компанию Lincoln Electric (2010 г.), которая известна производством продуктов для сварки. Торговые представительства компании расположены по всему миру, в т.ч. в России. 

История самого АО «Межгосметиз-Мценск» развивается с 1999 г. С самого начала ключевым направлением было производство электродов, что в общем предопределило стратегию организации – расширение продукции и приоритет качества материалов.

В 1999, 2002, 2003–2004 гг. приобреталось европейское высококачественное оборудование для производства (швейцарское, итальянское), что увеличило объем производства и качество продукции.

«Межгосметиз-Мценск» в целях сохранения природных ресурсов еще в 2006 г. приобрело оборудование, позволяющее исключить влияние химических отходов на природную среду.

С 2011 г. – выпуск электродов BASIC ONE и OMNIA 46.

С 2014 г. – производство электродов для трубопроводов Conarc 52 и 53.

ЦЛ-11 – хотя и дороже вышеописанных марок, но не менее качественные, используются для нержавеющей стали. Шов, образуемый ЦЛ-11, не склонен к коррозии. При высоком пределе прочности – 660 Мпа он очень хрупкий, ударная вязкость 120 Дж/см2. Электроды могут осуществлять варку во всех положениях. Сварка ведется током обратной полярности. 
Электроды ЦЛ-11  чувствительны к превышению по сварочным токам, это  может привести к перегреву и изменению характера плавления, поэтому лучше варить короткой сварочной дугой.

Аналоги: ESAB OK 61.85, ОЗЛ-7 «Спецэлектрод», Lincoln Electric.

Производителем является Светлогорский завод электродов Республики Беларусь, производство которого многократно подтверждено стандартами качества на территории СНГ.

Ввиду постоянного спроса на продукцию и в Беларуси, и за рубежом, производство развивается, обеспечивая качественность выпускаемой продукции. Торговые марки электродов: «Монолит», «Континент», «Стандарт», «Арсенал».

Эти же марки выпускают следующие предприятия: «Электрод» Тольятти, Лосиноостровский электродный завод, Esab-Svel, Судиславский завод сварочных материалов, Tigarbo.

Предприятие «Электрод» Тольятти занимает одну из лидирующих позиций в производстве материалов. Существует с 2000 г., за это время организация достигла успехов и заняла высокое место среди других производителей.

Торговый дом «ЛЭЗ» – предприятие, существующее более 60 лет, производящее электроды для сварки и резки металла. Вся продукция сертифицирована и аттестована.

Esab-Svel – Швейцарская компания, обладающая высококачественным оборудованием для различных сварочных работ. К ним относятся как электроды, так и проволока, и флюсы для сталей.

Электроды производит ЗАО в Петербурге, оно же представляет собой дочернее образование, созданное в 2000 г. Продукция отвечает общепризнанным в европейских странах стандартам.

ООО «Судиславский завод сварочных материалов» – одно из лидирующих предприятий по производству электродов. Качество продукции доказано множеством международных и российских призов, для любого вида сварки есть свой ассортимент продукции.

Tigarbo – торговая марка завода «КОМЗ-Экспорт», образованного в 1945 г., который помимо выпуска сварочных электродов производит парковые фонари, электромобили, почвообрабатывающую технику, абразивные круги.

Электроды для наплавки | Elektrodi.RU

В группу электродов для наплавки входят электроды, предназначенные для ручной дуговой наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами (кроме электродов для наплавки слоев из цветных металлов). Электроды изготавливают и поставляют в соответствии с требованиями ГОСТ 9466-75 и ГОСТ 10051-75. Для наплавочных работ в некоторых случаях также используют сварочные электроды, например, электроды, предназначенные для сварки высоколегированных коррозионно -стойких, жаростойких и жаропрочных сталей. Согласно ГОСТ 10051-75 электроды для наплавки поверхностных слоев по химическому составу наплавленного металла и твердости при нормальной температуре классифицированы на 44 типа (например, электроды типа Э-16Г2ХМ, Э-110Х14В13Ф2, Э-13Х16Н8М5С5Г46). Наплавленный металл многих электродов регламентируется техническими условиями предприятий-изготовителей. В зависимости от принятой системы легирования и условий работы получаемого наплавленного металла электроды для наплавки могут быть условно разделены на следующие 6 групп:

1-я группа. Электроды, обеспечивающие получение низкоуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок (по назначению к этой группе относятся некоторые марки электродов 3-ей группы).

2-я группа. Электроды, обеспечивающие получение среднеуглеродистого низколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях трения металла о металл и ударных нагрузок при нормальной и повышенной температурах (до 600-6500С).

3-я группа. Электроды, обеспечивающие получение углеродистого, легированного (или высоколегированного) наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях абразивного изнашивания и ударных нагрузок

4-я группа. Электроды, обеспечивающие получение углеродистого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в условиях больших давлений и высоких температур (до 650-8500С).

5-я группа. Электроды, обеспечивающие получение высоколегированного аустенитного наплавленного метала с высокой стойкостью в условиях коррозионно-эрозионного изнашивания и трения металла о металл при повышенных температурах (до 570-6000С)

6-я группа.Электроды, обеспечивающие получение дисперсноупрочняемого высоколегированного наплавленного металла с высокой стойкостью в тяжелых температурно-деформационных условиях (до 950-11000С). Необходимо отметить, что производство наплавочных работ требует применения специальной технологии, которая — в зависимости от химического состава и состояния основного и наплавляемого металлов — может включать обязательное выполнение таких операций, как предварительный и сопутствующий подогрев, термическую обработку для получения заданных эксплуатационных свойств наплавляемой поверхности.

Электроды на основе благородных металлов

Электрохимическая технология играет все более важную роль в современном обществе, особенно в химической промышленности, см. Таблицу I. Основные причины перехода к электрохимической технологии включают:

Таблица I
Типичные области применения электрохимии (1)


Производство неорганических химикатов
, включая Cl 2 / NaOH, KOH, ClO 3 , ClO 2 , BrO 3 , H 2 , O 2 , F 2 , O 3 , H 2 O 2 , MnO 2 , Cu 2 O, MnO 4 , Cr 2 O 7 2- , S 2 O 8 2- , N 2 O 5 , NH 2 OH, SnO 3 2− , Ce 4+ , AsH 3
Синтез органических соединений
обычно мономеры, тонкие химические вещества, фармацевтические и агрохимические промежуточные продукты
Добыча металлов
включая Al, Na, K, Mg, Li, Cu, Zn, Ga
Переработка химических веществ и технологических потоков
извлечение и рафинирование металлов, переработка окислительно-восстановительных реагентов, расщепление солей, электродиализ для концентрации и очистки потока
Очистка воды и сточных вод
удаление солей, обработка с помощью ClO , H 2 O 2 и O 3 , удаление ионов металлов до
Полное уничтожение токсичных материалов
9001 8, например, уничтожение загрязненных отходов ядерной промышленности и уничтожение полихлорированных дифенилов
Обработка металлов
в таких процессах, как гальваника, анодирование, электроокрашивание и модификация поверхности
Производство электронных компонентов
, включая печатные платы, нанесение металлических контактов и полупроводниковых слоев
Производство металлов
в таких процессах, как электрохимическая обработка, гальванопластика и электрошлифование
Контроль коррозии
с помощью, например, анодной и катодной защиты, расходных анодов
Батареи и топливные элементы
, такие как батареи для эл. ctronic устройства, бытовые и портативные устройства, топливные элементы для транспортных средств и производства электроэнергии на объекте
Датчики
для мониторинга атмосферы, предупреждения об опасности токсичных веществ, оптимизации производительности двигателя / печи, мониторинга качества воды, технологических потоков, медицинские приложения и прочее

(a) уникальная способность электролиза вызывать селективные химические изменения без использования токсичных реагентов или опасных условий;

(b) бесчисленное множество возможностей по переработке металлов, химикатов и технологических потоков;

(c) потребность в чистых и эффективных источниках энергии, особенно для транспортных систем; и

(d) многочисленные возможности для разработки небольших и портативных датчиков, в которых используются электрохимические детекторы.

Ключевыми компонентами всех электрохимических ячеек являются электроды и, в некоторых случаях, сепараторы. Нет никаких сомнений в том, что разработки как электродных материалов, так и ионопроницаемых мембран в течение последней четверти века позволили успешно реализовать многие новые концепции. Фактически, почти во всех случаях, когда экономия процесса требует оптимизации производительности электролизера, предпочтительными компонентами являются электроды из благородных металлов или оксидов благородных металлов.Хотя благородные металлы дороги, их свойства таковы, что общие затраты на процесс снижаются за счет их использования.

Общие черты, которые повторяются при разработке материалов для электродов с множеством разнообразных применений:

• использование металлов платиновой группы и их оксидов в качестве покрытий на инертных подложках

• минимизация нагрузки металлической платины

• использование сплавов металлов платиновой группы или смесей оксидов для повышения стабильности электродов, повышения селективности продукта и / или минимизации перенапряжения

• изготовление комбинаций мембрана / электрод для уменьшения межэлектродных промежутков и, следовательно, неэффективности энергии.

В этом обзоре будут освещены некоторые роли металлов платиновой группы, в частности платины, иридия и рутения, в нынешних и потенциальных применениях электрохимической технологии.

Аноды со стабильными размерами

В конце 1950-х годов произошло важное событие для электрохимической обработки — разработка анодов со стабильными размерами (2). Они представили новый подход к производству покрытых электродов и повысили ожидания относительно характеристик электродов.Первые примеры стабильных размеров анодов состояли из покрытий из диоксида рутения (RuO 2 ) на титане, и они были приготовлены очень просто путем многократного распыления или окраски предварительно обработанной поверхности титана раствором трихлорида рутения с последующим термическим разложением на воздухе. Эти электроды нашли быстрое применение в хлорно-щелочной промышленности из-за уникального сочетания свойств — очень низкого перенапряжения для выделения хлора и очень длительного срока службы — в отличие от графита, предыдущего предпочтительного анода, см. Таблицу II.Более того, эту технику нанесения покрытия можно было использовать на титановых подложках, которые были изготовлены практически любой формы. Следовательно, эти титановые аноды с покрытием сделали возможным создание герметичных ячеек с различными конфигурациями электродов; тем самым привнося новую гибкость в конструкцию ячеек. Результатом стало новое поколение ячеек с улучшенными характеристиками, включая очень успешные мембранные ячейки для производства хлорщелочи.

Таблица II

Характеристики анодных материалов в ячейках, используемых для производства хлора и гидроксида натрия

Условия реакции: 25% -ный рассол при 363 К; плотность тока 3 КА · м −2

Анод Cl 2 Перенапряжение, мВ Потеря веса анода
Графит ≈400 2–3 кг / тонна Cl 2
Pt ≈ 200 RuO 2 / Ti ≈ 50 2

Композиции покрытий

Формоустойчивые аноды быстро стали более сложными по составу (2–5) . Стало очевидно, что для некоторых применений было выгодно иметь грунтовку. Это может быть слой диоксида титана (TiO 2 ), смесь RuO 2 и TiO 2 или слой с градиентом состава.Также стало обычным включать в покрытие другие металлы платиновой группы, вентильные металлы, олово и / или переходные металлы с целью:

• еще больше снизить перенапряжение хлора

• повысить стойкость покрытия к повреждениям во время электролиз

• дальнейшее увеличение срока службы или уменьшение загрузки катализатора

• повышение эффективности по току для хлора (то есть снижение содержания кислорода в хлоре за счет увеличения перенапряжения для конкурирующей реакции окисления воды) или всего

• установление более сильная патентная позиция для технологии, которая стала одновременно очень успешной и очень прибыльной.

Изменения в составе покрытия легко достигаются путем изменения состава раствора аэрозоля / краски. Такие оксидные покрытия обычно имеют вид «потрескавшегося бурового раствора» при исследовании с помощью сканирующей электронной микроскопии, см. Рисунок 1.

Рис. 1

Сканирующая электронная микрофотография современного титанового анода с оксидным покрытием для хлорщелочной ячейки. Масштаб: 1 см соответствует 20 мкм

Фотография любезно предоставлена ​​ICI Chemicals & Polymers Ltd.

Современные покрытия для анодов, используемых в ртутных, диафрагменных и мембранных элементах в хлорно-щелочной промышленности, различаются по составу, чтобы учесть различия в рабочих условиях и окружающей среде, близкой к поверхности анода.Аноды для мембранных ячеек в настоящее время обычно представляют собой смесь RuO 2 и оксида иридия (IrO 2 ) и при содержании металла платиновой группы 10–20 г -2 имеют гарантированный срок службы от пяти до восьми. лет. Такие покрытия обеспечивают очень стабильное, низкое перенапряжение хлора и низкое содержание кислорода в хлоре. Как и другие компоненты электролизера, аноды теперь также должны работать при более высоких плотностях тока. В течение многих лет принятая плотность тока составляла от 2 до 3 кА м –2 , и упор делался на снижение энергопотребления элемента.Однако в последнее время наблюдается тенденция к использованию дополнительных улучшений в характеристиках электролизера для снижения капитальных затрат на установку, и было бы выгодно, чтобы аноды работали при 4-5 кА м -2 без значительного снижения производительности.

Такие разработки наглядно продемонстрировали возможности модификации электрокаталитических свойств покрытий на титане путем изменения состава оксида. Это хорошо иллюстрируют два примера. Стабильные по размерам аноды для выделения кислорода в настоящее время широко используются для таких применений, как катодная защита, гальваническое цинкование и электрохимическое извлечение металлов из водной кислоты (5, 6). Для этих анодов покрытие основано на IrO 2 , что дает низкий перенапряжение для окисления воды до кислорода. Незначительные изменения в составе покрытия привели к значительному улучшению характеристик кислородного анода, особенно скорости износа. Возможно, наиболее впечатляющим применением этих электродов является гальваническое цинкование, когда стальная полоса покрывается цинком с помощью системы катушки с катушкой на высокой скорости, а аноды с покрытием работают при 7-10 кА · м -2 .

Другой тип анода был разработан для производства хлората.В этом процессе анодная реакция снова представляет собой окисление хлорид-ионов, но реакция проводится при более высоком pH (pH> 6 по сравнению с pH 3–4 в хлорно-щелочной ячейке). Хлор немедленно гидролизуется до гипохлорита, который затем диспропорционирует в растворе до хлората и хлорида. Более высокий pH приводит к большей потере выхода по току из-за выделения кислорода, а также к более высоким скоростям растворения слоя RuO 2 . Пытаясь преодолеть эти проблемы, канадская компания Chemetics International разработала покрытия на основе TiO 2 / RuO 2 / AlSbO 4 (или RhSbO 4 ) с низким содержанием RuO 2 (7).Эти композиции демонстрируют лучшую каталитическую активность, более высокую селективность (с меньшим образованием кислорода) и более низкие скорости износа по сравнению с анодами RuO 2 или RuO 2 / TiO 2 . Они также позволяют работать при более высоких температурах, что значительно снижает капитальные и эксплуатационные расходы установки.

Катоды для выделения водорода

Перенапряжение катодной реакции в хлорно-щелочной ячейке, конечно, также критично для энергопотребления процесса.Возможно, удивительно, но оказалось, что сложнее устранить значительное перенапряжение для этой электродной реакции: восстановление воды до водорода и OH в крепком растворе каустической соды (обычно> 30%). Первичная литература содержит описания многих исследований водородной реакции, и было предложено множество катализаторов на основе неблагородных металлов. Несмотря на это, многие производители хлорщелочи по-прежнему полагаются на катоды с покрытием из благородных металлов, которые можно приобрести у большинства поставщиков электродов.

Хотя их точный состав не раскрывается, многие из них, как полагают, связаны с покрытиями платина / рутений, описанными Grove (8). Никель используется в качестве подложки для обеспечения устойчивости к коррозии, а покрытия содержат от 3,0 до 3,5 г / м -2 платины и от 1,0 до 1,5 г / м -2 рутения. Покрытия получают методом иммерсионного нанесения. После соответствующей подготовки поверхности никелевый субстрат просто погружают в раствор хлоридов благородных металлов и оставляют при комнатной температуре до тех пор, пока не будет достигнута необходимая загрузка благородного металла.Металлический никель является восстановителем в этой реакции цементации. Опять-таки, однородные покрытия на поверхности сложной формы легко получить, например, на просечно-вытяжной металлической сетке и решетчатых жалюзи, а также на плоских поверхностях, которые можно найти в современных конструкциях ячеек.

Обычно перенапряжение для выделения водорода составляет 100 мВ при плотности тока 3 кА · м –2 в 35% NaOH при 363 К, и эти характеристики могут сохраняться более 2 лет. Основная причина потери производительности связана с тем, что активная поверхность катализатора покрыта неблагородными металлами, которые имеют высокий перенапряжение для выделения водорода.Следовательно, выгодно работать с католитом, не содержащим ионов металлов, таких как железо (II). Однако для катодов из благородных металлов была заявлена ​​некоторая устойчивость к отравлению железом, и был предложен верхний предел 60 ppm (9).

Платинированные титановые электроды

Платиновые электроды — это рабочие лошадки многих лабораторий, особенно для изучения окисления. Считается, что они устойчивы к анодному растворению, и предполагается, что титан с платиновым покрытием, либо покрытый металлической платиной, либо в виде оболочки из тонкой платиновой фольги, будет рентабельной, промышленно полезной альтернативой массивной металлической платине; к сожалению, это не совсем так.

В более длительных периодах эксплуатации пилотной установки часто обнаруживается, что платина значительно корродирует (5). Есть лишь ограниченные исследования, но имеющиеся данные показывают, что платина корродирует быстрее в присутствии органических веществ и определенных анионов. Например, при увеличении масштабов превращения метиладипата в диметилсебацинат потеря платины с анода оказалась значительным фактором в экономике процесса (10). Более того, платинированный титан может иметь свойства, значительно отличные от самой платины, предположительно из-за его большей площади поверхности, а также, возможно, из-за плохой адгезии платины к титановой подложке.

Платинированные титановые аноды, безусловно, нашли применение в электрохимической технологии. Они использовались в электросинтезе нескольких неорганических соединений, включая персульфаты и перхлораты, на установках электрохлорирования и в процессах гальваники, например, для хрома и золота. Они широко используются в качестве анодов для катодной защиты в морской воде (например, водозаборы и теплообменники морской воды, а также для нефтяных вышек), поскольку их стойкость к истиранию выше, чем у других покрытий анодов.В настоящее время современные платинированные титановые аноды производятся с промежуточным слоем из платины / иридия или оксида благородного металла и покрываются плотным слоем платины путем гальваники. Для катодной защиты в морской воде такие аноды имеют скорость износа от 1 до 2 мкг / А ч.

Платинированные титановые аноды были первыми покрытыми электродами, поступившими на рынок, и во многих областях применения они были заменены оксидными покрытиями со стабильными размерами, которые были оптимизированы для конкретного электролита.Тем не менее, остается рынок анодов, которые могут использоваться в относительно небольших процессах, и это может быть удовлетворено за счет высокоэффективных платинированных титановых анодов. Действительно, количество таких применений в электросинтезе и обработке окружающей среды увеличивается. Поэтому, возможно, настало время пересмотреть производство и характеристики платинированных титановых анодов и рассмотреть возможность использования платиновых сплавов для неспецифических применений; например, известно, что покрытия из платины / иридия на титане обладают превосходными свойствами в некоторых областях применения.

Газодиффузионные электроды

Газодиффузионные электроды представляют собой пористые структуры, в которых газ подается на заднюю часть электрода вдали от электролита, а трехфазная граница раздела между газом, электролитом и электрокатализатором образуется вблизи электрода / интерфейс решения. Большинство электродов состоят из относительно толстого слоя углерода и ПТФЭ, содержащего токоприемник (например, мелкую металлическую сетку), и более тонкого слоя углерода, содержащего электрокатализатор, на стороне раствора, см. Рисунок 2.

Рис. 2

Схематическая диаграмма газодиффузионного электрода и единственной поры, показывающая трехфазную границу раздела между газом, электролитом и катализатором

Мастерство изготовления электродов заключается в выборе подходящего катализатора, сводящем к минимуму загрузка катализатора и проектирование стабильной структуры, в которой поверхность раздела газ / раствор формируется на участке катализатора. Такие электроды могут работать с практически нерастворимыми газами при плотностях тока в диапазоне 1–10 кА м –2 .

Использование топливных элементов

Газодиффузионные электроды были первоначально разработаны для топливных элементов, где водород и кислород (из воздуха) вступают в реакцию на аноде и катоде с образованием воды и значительного выхода энергии. Одним из таких типов топливных элементов является топливный элемент с протонообменной мембраной (PEMFC), в котором в качестве твердого электролита используется перфторированная мембрана (11–13). Благодаря своей внутренней простоте и высокой удельной мощности, PEMFC подходят как для стационарных, так и для транспортных применений.С этими топливными элементами был достигнут значительный прогресс в направлении коммерциализации, особенно компанией Ballard Power Systems в сотрудничестве с Johnson Matthey. Опытные образцы до 250 кВт, а также целые автобусы прошли обширные испытания (12).

Катализаторы, используемые для PEMFC, обычно представляют собой платину для воздушного катода и платину или сплавы на основе платины или смешанные металлы, такие как платина / рутений, для анода. Оптимизация структуры электрода — для улучшения использования катализатора — и лучшая дисперсия катализатора привели к загрузке благородных металлов, как правило, 3 г / м -2 .

Существенные изменения произошли в последнее время в топливных элементах прямого действия на метаноле (DMFC) (14). Органическое топливо имеет преимущества перед водородом в его относительной простоте и безопасности транспортировки и распределения, а также в более низкой стоимости. Есть ряд факторов, ответственных за повышение производительности. К ним относятся использование твердых полимерных электролитов, которые позволяют топливному элементу работать при более высоких температурах, чем это возможно с традиционными жидкими электролитами, и улучшение характеристик анода.В течение многих лет характеристики DMFC были низкими из-за отравления платинового катализатора промежуточными продуктами окисления топлива. Одной из особых проблем является монооксид углерода, который сильно и необратимо абсорбируется на поверхности платины, таким образом ограничивая скорость окисления метанола до 1 А · м -2 . Использование катализаторов, таких как материалы платины / рутения, часто с добавками, например олово / вольфрам или олово / цирконий, уменьшило отравление электродов, что позволяет топливному элементу выдавать выходную мощность 2 кВт · м -2 при мощность разряда 4 кА м -2 (15, 16).

Газодиффузионные электроды теперь стали общепринятым инструментом в электрохимической технологии и нашли применение в батареях, датчиках, извлечении металлов и синтезе. Разрабатываются процессы восстановления кислорода до пероксида водорода на катодах некаталитической газодиффузии (17), а газодиффузионные электроды с платиновым катализатором находят применение в электрохимической обработке в качестве противоэлектродов.

Замена выделения водорода восстановлением кислорода 4e или выделение кислорода окислением водорода может привести к существенному снижению потребления энергии элементом.Так, кислородные катоды использовались, например, в ячейках для производства озона (для очистки воды) (18, 19), а водородные аноды использовались в ячейках для электрохимического извлечения цинка (20) или регенерации окислительно-восстановительных реагентов, таких как Ti 3+ (используется для органического синтеза) (21).

Водородный анод играет более важную роль в новом процессе конверсии карбоната натрия в гидроксид натрия. По сути, это электролитическая версия старого процесса производства натриевой извести, которая одновременно энергоэффективна и не наносит вреда окружающей среде (22).Из схемы химического состава ячейки, рис. 3, можно увидеть, что химический состав катода и католита идентичны таковым в ячейке с хлорщелочной мембраной. Однако водород, образующийся на катоде, направляется по трубопроводу к каталитическому газодиффузионному аноду с благородными металлами в потоке анолита, состоящем из водного 2 M Na 2 CO 3 . Химический состав анода:

Рис. 3

Схематическая диаграмма процесса мембранного элемента, предусмотренного для превращения карбоната натрия в высокочистый, 35-процентный гидроксид натрия

и общее химическое изменение в ячейка

, где диоксид углерода находится в потоке анодного газа.Изменение энергии Гиббса, связанное с реакцией ячейки, составляет всего ≈ +54 кДж (по сравнению с ≈ +420 кДж в хлорно-щелочной ячейке), что приводит к возможности очень низкого напряжения ячейки и низкого энергопотребления. Следует отметить, что в процессе используются доступные и успешные мембранные ячейки, катодные покрытия, мембраны и анод для окисления водорода. Более того, за исключением анода, все компоненты используются в средах, почти идентичных тем, для которых они были разработаны и оптимизированы.

Следовательно, ключом к успеху являются рабочие характеристики газодиффузионного анода. Вольт-амперные характеристики предпочтительного анода в трех различных электролитах показаны на рисунке 4 (а). Каждая характеристика показывает ожидаемый равновесный потенциал для рассматриваемого pH и является линейной из-за падения напряжения при таких высоких токах. Отклик в карбонате натрия показывает гораздо меньшую крутизну, и это может частично объясняться более высоким сопротивлением этого раствора. Однако считается, что доминирующим фактором является местный pH внутри пор, который уменьшается с увеличением плотности тока.На рисунке 4 (b) показано влияние температуры на электролит из карбоната натрия, и можно видеть, что повышение температуры очень благоприятно сказывается на производительности процесса.

Рис. 4

Кривые ток / потенциал для окисления водорода на газодиффузионном электроде платиновая сажа / ПТФЭ:

(а) в трех разных электролитах при 294 К; и

(b) для 2 М карбоната натрия в зависимости от температуры

С использованием проточной ячейки, работающей при 363 К, с площадью электродов 7.5 см 2 , мембрана Nafion 902 и каталитический катод (см. Выше), оказалось возможным производить очень чистый 13M NaOH с выходом по току более 98% и напряжением ячейки 1,6 В при 2,5 кА · м −2 . Это дает потребление энергии 1100 кВт · ч на –1 NaOH, что намного ниже, чем достижимо с помощью конкурирующих технологий, см. Таблицу III. Кроме того, потребление энергии должно быть снижено примерно до 800 кВтч тонна –1 . Экономичность процесса зависит от баланса рынков хлора и NaOH, а также от стоимости жидкого диоксида углерода, извлекаемого из потока анодного газа.Дальнейшая работа будет сосредоточена на долгосрочной стабильности анода и влиянии примесей в сырье карбоната натрия.

Таблица III

Энергопотребление для различных электрохимических технологий производства гидроксида натрия

Процесс Потребление энергии, кВт · ч тонны

Электролиз | Гидрогеника

Вода + Электричество = Водород

Способность водорода соединяться с кислородом впервые была замечена Генри Кавендишем в 1766 году.Впоследствии первый электролизер появился в 1800 году, когда Николсон и Карлайл создали статический заряд в воде. Спустя более 200 лет Hydrogenics продолжает развиваться и совершенствовать эти фундаментальные открытия.

Электролизные ячейки характеризуются типом электролита. Существует два типа низкотемпературного электролиза, в которых активна гидрогенизация: щелочной и протонообменная мембрана (PEM).

Благодаря десятилетиям исследований и разработок в обеих технологиях, Hydrogenics обладает уникальной способностью предлагать PEM и щелочные системы и выбирать наиболее подходящую, исходя из ее стоимости, мощности и использования.

Обе технологии Alkaline и PEM способны обеспечить:

  • Водород на месте и по запросу (с учетом нагрузки)
  • Водород под давлением без компрессора
  • Чистый, сухой и безуглеродный водород 99,999%

Катодная реакция: 4h3O + 4e- → 4OH⁻ + 2h3 ↑
Анодная реакция: 4OH⁻ → 2h3O + 4e- + O2 ↑
Общая реакция: 2h3O → 2h3 ↑ + O2 ↑

В щелочном электролизе реакция происходит в растворе, состоящем из воды и жидкого электролита (30% КОН) между двумя электродами.Когда между двумя электродами приложено достаточное напряжение, молекулы воды у катода забирают электроны, образуя ионы OH⁻ и молекулу H 2 . Ионы OH⁻ проходят через 30% -ный электролит KOH к аноду, где они объединяются и отдают свои лишние электроны, образуя воду, электроны и O 2 .

На этом этапе рекомбинации водорода и кислорода можно избежать с помощью высокоэффективной запатентованной ионообменной мембраны IMET ® . Наша мембрана IMET ® изготовлена ​​из высокопрочных неорганических материалов и не содержит асбеста.Электролит остается в системе благодаря продуманной замкнутой системе рециркуляции без насоса.

Электролизеры

Hydrogenics ’ HySTAT ® установлены на сотнях промышленных предприятий, электростанций, хранилищ энергии и заправочных станций по всему миру. Это безопасные и надежные системы, используемые всеми основными поставщиками промышленного газа в тяжелых условиях.


Анодная реакция: 2h3O → 4H + + 4e- + O2 ↑
Катодная реакция: 4H + + 4e- → 2h3 ↑
Общая реакция: 2h3O → 2h3 ↑ + O2 ↑

A В электролизере PEM используется твердый полимер с ионной проводимостью.Когда между двумя электродами прикладывается разность потенциалов (напряжение), отрицательно заряженный кислород в молекулах воды отдает свой электрон на аноде, образуя протоны, электроны и O 2 на аноде. Ионы H + проходят через протонпроводящий полимер к катоду, где они захватывают электрон и становятся нейтральными атомами H, которые объединяются, образуя H 2 на катоде. Электролит и два электрода зажаты между двумя биполярными пластинами. Роль биполярной пластины заключается в транспортировке воды к пластинам, транспортировке продуктовых газов от ячейки, проведении электричества и циркуляции охлаждающей жидкости для охлаждения процесса.

Как и топливные элементы, многие отдельные элементы электролизера могут быть соединены последовательно, чтобы образовать основной компонент системы электролизера, батарею элементов, в которой производятся и водород, и кислород.

Потребуется некоторое охлаждение для охлаждения технологического и производимого газа, будет установлена ​​система очистки воды для производства деминерализованной воды из подаваемой водопроводной воды, система очистки будет очищать водород для подачи газа высокой чистоты в соответствии с требованиями заказчика. Спецификации, будет установлена ​​силовая стойка для управления мощностью, необходимой для реакции (преобразование переменного тока, подаваемого сетью, в постоянный ток, используемый для процесса), а панель управления позволит оператору иметь обзор всего пакета .Все это грамотно подобранное и специально изготовленное оборудование будет затем установлено в здании или упаковано в наружный корпус

.

Высокопроизводительные и легкие электроды суперконденсатора будущего

Электроды суперконденсатора с высокими характеристиками. Слева: микрофотографии автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа; Справа: разрез моногибридной наноструктуры. Кредит: Ашутош К. Сингх и Кальян Мандал / С.Национальный центр фундаментальных наук Н. Бозе, Индия

В качестве нового накопителя энергии суперконденсаторы привлекли к себе значительное внимание в последние годы из-за их сверхвысокой скорости заряда и разряда, превосходной стабильности, длительного срока службы и очень высокой плотности мощности. Представьте, что вы заряжаете свой мобильный телефон всего за несколько секунд или заправляете электромобиль всего за несколько минут, что является частью многообещающего будущего, которое могут предложить суперконденсаторы.

Противоречит этому обещанию тот факт, что, хотя суперконденсаторы могут заряжаться быстрее и работать дольше, чем обычные батареи, они также должны быть намного больше по размеру и массе, чтобы сохранять ту же электрическую энергию, что и батареи.Таким образом, многие ученые работают над созданием экологически чистых, легких, недорогих суперконденсаторов с высокими характеристиками.

Теперь двое исследователей из С.Н. Национальный центр фундаментальных наук Бозе, Индия, разработал новый электрод суперконденсатора на основе гибридной наноструктуры, состоящей из гибридной внешней оболочки оксида никеля-оксида железа и проводящего железо-никелевого сердечника.

В статье, опубликованной на этой неделе в журнале Journal of Applied Physics от AIP Publishing, исследователи сообщают о технологии изготовления электрода с гибридной наноструктурой.Они также демонстрируют превосходные характеристики по сравнению с существующими негибридными электродами суперконденсаторов. Поскольку оксид никеля и оксид железа являются экологически чистыми и дешевыми материалами, широко доступными в природе, новый электрод обещает в будущем экологически чистые и недорогие суперконденсаторы.

«Этот гибридный электрод показывает превосходные электрохимические характеристики с точки зрения высокой емкости [способности накапливать электрический заряд] почти 1415 фарад на грамм, высокой плотности тока 2.5 ампер на грамм, низкое сопротивление и высокая плотность мощности, — сказал Ашутош К. Сингх, главный исследователь Отдела физики конденсированных сред и материаловедения Национального центра фундаментальных наук SN Bose. стабильность при циклическом включении, другими словами, электрод может сохранять почти 95 процентов начальной емкости после цикла или зарядки и разрядки 3000 раз ».

Обещание суперконденсаторов

Суперконденсаторы — это электронные устройства, предназначенные для хранения очень большого количества электрических зарядов.Они также известны как электрохимические конденсаторы и обещают высокую удельную мощность, высокую производительность, превосходную стабильность цикла и высокую плотность энергии.

В устройствах накопления энергии накопление электрического заряда называется «плотностью энергии», в отличие от «плотности мощности», которая указывает на скорость доставки энергии.Обычные конденсаторы имеют высокую плотность мощности, но низкую плотность энергии, что означает, что они могут быстро заряжаться, разряжаться и высвобождать всплеск электроэнергии за короткое время, но они не могут удерживать большое количество электрических зарядов.

Обычные батареи, напротив, наоборот. Они имеют высокую плотность энергии или могут накапливать много электроэнергии, но для зарядки и разрядки могут потребоваться часы. Суперконденсаторы — это мост между обычными конденсаторами и батареями, сочетающий в себе полезные свойства высокой мощности, высокой плотности энергии и низкого внутреннего сопротивления, которые могут заменить батареи в качестве быстрого, надежного и потенциально более безопасного источника питания для электрических и портативных электронных устройств в будущем. Сингх.

В суперконденсаторах высокая емкость или способность накапливать электрический заряд имеет решающее значение для достижения более высокой плотности энергии. Между тем, для достижения более высокой плотности мощности критически важно иметь большую электрохимически доступную площадь поверхности, высокую электрическую проводимость и короткие пути диффузии ионов. Наноструктурированные активные материалы служат средством для достижения этих целей.

Как ученые создали новый электрод

Вдохновленные предыдущими исследованиями по улучшению проводимости за счет легирования различных оксидных материалов, Сингх и Калян Мандал, еще один исследователь и профессор в S.Национальный центр фундаментальных наук Н. Боса смешал оксид никеля и оксид железа в качестве гибридного материала и изготовил новый электрод с наноструктурой ядро ​​/ оболочка.

«Изменяя материалы и морфологию электрода, можно изменять характеристики и качество суперконденсаторов», — сказал Сингх.

В эксперименте Сингха гибридная наноструктура ядро ​​/ оболочка была изготовлена ​​двухэтапным методом. Используя стандартную технику электроосаждения, исследователи вырастили массивы железо-никелевых нанопроволок внутри пор шаблонов анодированного оксида алюминия, а затем растворили шаблоны для получения голых гибридных нанопроволок.После этого исследователи на короткое время экспонировали нанопроволоки в кислородной среде при высокой температуре (450 градусов по Цельсию), в конечном итоге разработав высокопористую гибридную оболочку оксида железа-оксида никеля вокруг железоникелевого ядра.

«Преимущество этой гибридной наноструктуры ядро ​​/ оболочка состоит в том, что высокопористый нанослой оболочки обеспечивает очень большую площадь поверхности для окислительно-восстановительных реакций и уменьшает расстояние для процесса диффузии ионов», — сказал Сингх. Он объяснил, что суперконденсаторы накапливают заряды в результате химического процесса, известного как окислительно-восстановительная реакция, при которой материал отдает электроны и переносит ионы через другой материал на границе раздела между электродом и электролитом.Большие поверхности окислительно-восстановительной реакции необходимы для достижения более высокой плотности мощности суперконденсаторов.

«Кроме того, проводящий сердечник из Fe-Ni обеспечивает магистраль для ускорения транспортировки электронов к токосъемнику, что улучшит проводимость и электрохимические свойства электрода, создавая суперконденсаторы с высокими характеристиками», — отметил Сингх.

Как работает новый электрод

Используя методы циклической вольтамперометрии и гальваностатического заряда / разряда, Сингх и Мандал изучили электрохимические свойства электрода из гибридного материала.По сравнению с аналогами, негибридными электродами, такими как никель / оксид никеля и железом / оксидом железа с наноструктурой, электрод из гибридного материала продемонстрировал более высокую емкость, более высокую плотность энергии и более длительное время зарядки / разрядки.

«Например, плотность тока гибридного электрода в три и 24 раза выше, чем у электродов из никеля / оксида никеля и железа / оксида железа, соответственно», — сказал Сингх. «Сравнительные результаты показывают значительное обогащение электрохимической активности электродов из никеля / оксида никеля и железа / оксида железа после их объединения, что свидетельствует о лучших сверхемкостных свойствах гибридного электрода.«

Одной из особенностей технологии изготовления Сингха является то, что она не требует дополнительных связующих материалов. По словам Сингха, связующие материалы обычно используются при производстве суперконденсаторов на основе углерода или графена для прикрепления окислительно-восстановительного активного материала к коллектору тока. Гибридный электрод без массы связующих материалов является хорошим кандидатом для создания легких суперконденсаторов.

«Замечательные электрохимические характеристики и свойства материала позволяют предположить, что гибридная наноструктура ядро ​​/ оболочка оксида железа и оксида никеля может быть надежным и многообещающим кандидатом для изготовления легких, недорогих и экологически чистых электродов суперконденсатора следующего поколения для реального применения», — сказал Сингх сказал.

Следующий план исследователей — разработать целое устройство суперконденсатора на основе гибридного электрода и протестировать его функциональные характеристики, что на шаг ближе к промышленному производству.


Улучшенные суперконденсаторы для супер-аккумуляторов, электромобилей
Дополнительная информация: «Разработка высокоэффективного электрода суперконденсатора на основе гибридных наноструктур Fe-Ni / Fe2O3-NiO / оболочка», Ашутош К.Сингх и Калян Мандал, Журнал прикладной физики , 10 марта 2015 г. DOI: 10.1063 / 1.4913218 Предоставлено Американский институт физики

Ссылка : Высокопроизводительные и легкие электроды суперконденсатора будущего (10 марта 2015 г.) получено 21 ноября 2020 с https: // физ.org / news / 2015-03-high-lightweight-supercapacitor-electrodes-future.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Frontiers | Обзор печатных электродов для гибких устройств

Введение

Растущий спрос на высокопроизводительные устройства стимулирует разработку альтернативных или новых структур устройств и использование новых материалов (Liu et al., 2017; Wang et al., 2018). В последние годы гибкая и растягиваемая электроника развивается беспрецедентными темпами и используется в различных приложениях, включая датчики (Chu et al., 2018; Pan et al., 2018), дисплеи (Chen et al., 2017), солнечные батареи. клетки (Wang C. et al., 2017; Xi et al., 2017; Zhang et al., 2017), суперконденсаторы (Li J. et al., 2017; Wang M. et al., 2017), электронные оболочки ( E-skins) (Lou et al., 2017; Bermúdez et al., 2018; Byun et al., 2018) и носимой электроники (Lee et al., 2017). Некоторые приложения показаны на рисунке 1. Что касается подложек, то традиционный кремний и зрелые технологии позволили получить микроструктуры и ультратонкие микросхемы, которые усиливают его гибкость (Lin C. C. et al., 2017; Navaraj et al., 2018). Однако по сравнению с этим сложным процессом способ изготовления устройств непосредственно на мягких, сгибаемых и закрепляемых на коже полимерных подложках, таких как полиэтилен (PE) и терефталат (PET), является более предпочтительным. В процессе реализации вышеупомянутых устройств существует ключевая проблема в производстве электродов с высокой проводимостью и хорошей гибкостью.Для решения этой проблемы разрабатываются некоторые решения. Эти решения включают традиционные технологии, основанные на зрелых технологиях для кремниевых подложек, такие как физическое осаждение из паровой фазы, технологии печати, такие как трафаретная и струйная печать, а также технология рулонной печати, метод центрифугирования и другие технологии, содержащие химические процедуры.

Рисунок 1 . Две стратегии изготовления гибких электродов и продуктов, в которых используются электроды.Эти технологии включают как нисходящие, так и восходящие методы. Нисходящий метод включает в себя нанесение электродных материалов на подложку различными физическими методами. Восходящий метод предполагает ионный обмен между материалами электродов и ионами электрода, которые растут снизу. Технология изготовления гибких электродов может быть применена к различным устройствам (Jang et al., 2015). Воспроизведено с разрешения Macmillan Publishers Limited, 2015 г. Эти устройства включают гибкие датчики (Jang et al., 2014; Zhang et al., 2015), гибкие дисплеи (Gao et al., 2016; Leung et al., 2018), устройства обнаружения здоровья человека (Wang X. et al., 2017), солнечные элементы (Son et al., 2014) и оптическую одежду (Lee et al., 2018). Воспроизведено с разрешения Macmillan Publishers Limited, 2015, Macmillan Publishers Limited, 2016, Macmillan Publishers Limited, 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2017 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2014 Macmillan Publishers Limited , 2018 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim соответственно.

В зависимости от изготовления электродов вспомогательные технологии подразделяются на две категории: нисходящие и восходящие. Целью данной статьи является обзор текущих процессов изготовления гибких электродов в рамках этих двух категорий. Как показано на Рисунке 2, нисходящие методы включают традиционные технологии, технологии печати и мягкую литографию, тогда как восходящий метод включает технологию полимерного осаждения металла (PAMD) и технологию ионного обмена.Если быть точным, нисходящие методы используют физические методы для наложения электродного материала на подложку. Другими словами, электродный материал происходит из источника над подложками и осаждается на подложке, большая часть которого является физическим процессом. В противоположность этому, восходящие методы используют химические методы для изготовления гибких электродов. Возьмем, к примеру, ионообменный метод, подложка обрабатывается химическим методом до ионного обмена между материалом электрода и подложкой.Некоторые ионы электродных материалов заменяют ионы подложки. Ионы электродного материала растут вверх и образуют электроды. Кроме того, на Рисунке 1 перечислены различные продукты, в которых используется технология изготовления гибких электродов. Гибкие электроды можно применять к гибким устройствам. Гибкие устройства включают датчики, экраны дисплеев и солнечные элементы (Son et al., 2014). Эти устройства могут использоваться для создания носимых устройств, которые могут контролировать здоровье человека. Гибкие электроды могут работать в самых разных областях.При разработке электронных устройств необходимо изготовление гибких электродов с высокими характеристиками.

Рисунок 2 . Технологии изготовления электродов, включая две категории, основанные на процессе изготовления: сверху вниз, и снизу вверх. Нисходящие технологии, включающие физическое напыление (Sahu et al., 2018), нанолитографию с погружным пером (Wixforth et al., 2009), технологию трафаретной печати (Li W. et al., 2017), рулонную печать. рулонная технология (Bariya et al., 2018), технологии струйной печати (Xu et al., 2007) и мягкой литографии (Wisser et al., 2015). Воспроизведено с разрешения Springer Nature Limited, 2018 г., SPIE Europe Microtechnologies, Королевского химического общества, 2017 г., Американского химического общества, 2018 г., SPIE Europe Microtechnologies, Королевского химического общества, 2015 г.

Нисходящие технологии печатных электродов

Традиционные технологии

Осаждение физическим испарением

Традиционный процесс производства антенн RFID показан на рисунке 3A (Wu, 2017).Процесс изготовления на основе жестких кремниевых подложек включает сложные этапы, а также использование химических реагентов. Напротив, из-за общего характера гибких подложек, которые не выдерживают высокотемпературной и реактивной коррозии, подготовка электродов на гибких подложках обычно проста. Тем не менее, в зависимости от отработанной технологии производства, традиционные методы изготовления электродов по-прежнему информативны и совместимы с электродами на гибких подложках.Физическое осаждение из паровой фазы (PVD), которое включает в себя три основных метода, испарение, распыление и облучение электронным пучком (e-beam), является одним из самых популярных методов нанесения металлических электродов. Как показано на рисунках 3B, C, Yeongin Kim et al. сообщили о биоинспирируемом гибком органическом искусственном афферентном нерве, который включает ядро, состоящее из органических кольцевых осцилляторов (Kim et al., 2018). В процессе производства органических кольцевых генераторов Ti / Al осаждали в качестве электродов затвора, а узорчатый Cr / Au наносили в качестве электродов истока / стока, оба из которых были изготовлены электронным пучком.Sungjun Park et al. сообщили о создании сверхгибкой электроники с автономным питанием с помощью органических фотоэлектрических элементов с нанесенным на них рисунком наночастиц с нанесенным электродом из оксида индия и олова (ITO) размером 100 нм (Park et al., 2018). Эти широко используемые традиционные технологии совместимы с производством гибких электродов. Кроме того, опираясь на эти зрелые физические методы, изготовленные электроды представляют собой решение с высоким наноразмером и относительно высокой проводимостью, что подходит для изысканных применений.Поэтому следует отметить, что нанесение металла обычно является одностадийным. В классических нисходящих методах нанесения металла на гибкие подложки физическая адгезия между электродами и подложками обычно слабее, чем при использовании восходящих методов.

Рис. 3. (A) Схематическое изображение изготовления антенн RFID с использованием традиционных методов (Wu, 2017). Воспроизведено с разрешения Королевского химического общества, 2017 г. (B) Устройство органических кольцевых генераторов искусственной системы с нанесенными Cr / Au в качестве электродов истока / стока. (C) Фотография искусственной афферентной системы (Kim et al., 2018). Воспроизведено с разрешения Американской ассоциации содействия развитию науки 2018 г.

Технология Dip-Pen

Механизм нанолитографии с погружным пером можно описать как молекулы чернил, которые прикрепляются к наконечнику атомно-силового микроскопа и постепенно переносятся на поверхность подложки для получения контролируемых рисунков с помощью капиллярного действия и поверхностного натяжения. капель воды между наконечником и основанием.Лина и др. Сообщили о создании массива наноструктур Au с использованием метода погружного пера в качестве рабочего инструмента для изготовления, что позволяет создавать высокопроизводительные и произвольные узоры в окружающих условиях (Chen et al., 2017). На рис. 4А представлена ​​схема изготовления структуры Au с использованием технологии пера. На рис. 4В показана топография щеток из ПММА с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) при различных условиях формирования рисунка, которые используются в качестве маски для химического травления в процедурах изготовления, показанных на рис.На рис. 4C показана АСМ-топография полученных структур Au. Кронин и др. Сообщили о создании массива точек ZnO на гибких полиэтиленовых подложках (Cronin et al., 2014). На рис. 4D показано изображение точки ZnO диаметром ~ 10 мкм, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Рисунок 4E — увеличенное изображение SEM образца, показанного на рисунке 4D. Анализ площади EDX подтверждает наличие Zn и O, показанных на рисунке 4F. АСМ-изображение точки показано на рисунке 4G, демонстрируя шероховатость точки, изготовленной с использованием чернил ZnO.Кроме того, можно заметить, что максимальный размер изготовленной точки составляет ~ 350 нм. На рис. 4H изогнутая полиэтиленовая подложка и проводящий массив ZnO показаны после универсального процесса переноса и иллюстрируют увеличенный вид структурированных массивов справа.

Рисунок 4. (A) Изготовление наноструктур Au с помощью параллельной литографии с наноперемещением пера, инициированной поверхностью радикальной полимеризации с переносом атома и влажным химическим травлением. (B, C) АСМ топография щеток из ПММА и структур Au (Chen et al., 2017). Воспроизведено с разрешения WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. (D) СЭМ-изображения массива ZnO. (E) Увеличенное изображение SEM-изображения. (F) Энергодисперсионный рентгеновский спектр (EDX) точки ZnO в (E) . (G) АСМ-изображение точки ZnO. (H) Цифровое изображение изогнутой подложки из полиэтиленнафталата (PEN) с нанесенным массивом точек ZnO (Cronin et al., 2014). Воспроизведено с разрешения Elsevier B.V.

Полиграфические технологии

Из-за высокой стоимости и высоких требований к машинам для электродов, изготавливаемых по традиционным технологиям, требуются недорогие методы изготовления. Здесь рассматриваются недорогие и высокоэффективные процессы изготовления печати.

Технология трафаретной печати

В этой относительно зрелой технологии, показанной на рис. 5A, есть пять основных компонентов, включая трафарет с сетками, ракель, функциональные чернила, столик трафаретного принтера и подложку.Как показано на фиг. 5B, C, процедура трафаретной печати включает два основных этапа: проникновение функциональных чернил через сетку в трафарете и нанесение на подложку, тем самым формируя необходимые электроды с рисунком. Поперечный процесс трафаретной печати показан на рисунке 5D.

Рисунок 5. (A) Иллюстрация технологии трафаретной печати (Хан и др., 2015). Воспроизведено с разрешения IEEE. (B) Схема изготовления транзистора (Лу и др., 2017). Воспроизведено с разрешения компании Elsevier B.V., 2017 г. (C) Схема процесса изготовления электродов с использованием технологии трафаретной печати и графеновых чернил. (D) Поперечное сечение техники трафаретной печати (Hyun et al., 2015a). Воспроизведено с разрешения 2015 г. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. (E) Оптические фотографии печатных электродов, изготовленных с использованием технологии трафаретной печати, показанной в (B) (Lu et al., 2017). Воспроизведено с разрешения компании Elsevier B.V., 2017 г. (F) Оптическая микрофотография напечатанных графеновых линий разной ширины. (G) СЭМ-изображения поверхности линий графена. (H) Сопротивление на единицу длины графена как функция ширины отпечатка. (I) Изменение относительного сопротивления линий графена разной толщины при изгибе (Hyun et al., 2015a). Воспроизведено с разрешения компании WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., 2015 г.KGaA, Вайнхайм.

Используя технологию трафаретной печати, Qiang Lu et al. сообщили о синтезе композитов FeOOH / MnO 2 в качестве чернил и производстве всех печатных твердотельных гибких суперконденсаторов (Lu et al., 2017). Благодаря гибкости ПЭТ, бумаги и текстиля в качестве подложек суперконденсаторы можно сгибать, как показано на рисунке 5E. Эксперимент по освещению желтого светодиода с использованием печатных электродов также показан на рисунке 5E. В дополнение к композитам FeOOH / MnO 2 , о графеновых чернилах, используемых в технологии трафаретной печати, сообщили Хюн и др.(2015a). Для улучшения решения графеновых электродов был разработан новый способ изготовления трафаретов. Кремниевая пластина была утончена до 120 мкм, а затем была проведена фотолитография для создания рисунка на поверхности с отверстиями различной ширины. Оптические микрофотографии напечатанных графеновых электродов различной ширины и СЭМ-изображения поверхности графеновых электродов показаны на рисунках 5F, G соответственно. Шероховатость электродов была измерена с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) и составила ~ 32 нм. На рисунке 5H показаны изменения сопротивления при разной ширине печати.Стабильность электродов при циклах изгиба и отсоединения показана на рисунке 5I, демонстрирует большую стабильность при изгибе печатного графена, независимо от ширины напечатанных линий. Ограниченные механизмом проникновения и блокировки, узорчатые электроды обладают способностью точно передавать формы с отверстием. Благодаря относительно простой процедуре, возможности массового производства, изменяемым рисункам и низкой стоимости технология трафаретной печати является одним из самых популярных методов изготовления электродов на гибких подложках.Подобно традиционному методу изготовления электродов, технология трафаретной печати также относится к нисходящим методам. Из-за слабой связи между чернилами и субстратом вязкость и ракель играют важную роль в растворе.

Технология Roll-to-Roll

Для удовлетворения растущих потребностей промышленного производства в последние годы была разработана технология печати с рулона на рулон. Технология рулонной печати включает в себя методы массового и конвейерного производства, которые используются в печатных платах.

При печати функциональными чернилами на гибких подложках этот физический процесс изготовления также является типом нисходящего метода. Bae et al сообщили об использовании технологии печати с рулона на рулон для изготовления прозрачных графеновых электродов, как показано на рисунке 6A (Bae et al., 2010). Весь процесс изготовления включает три основных этапа: адгезию полимерной основы к графену, удаление медной фольги травлением, освобождение полимерной основы и перенос графена на целевые подложки.Можно изготовить 30-дюймовую пленку графенового электрода с сопротивлением ~ 125 Ом -1 и оптическим пропусканием 97,4%. Помимо графена, чернила из серебряных нановолокон также используются для печати электродов. На рис. 6В представлена ​​цифровая фотография электродов из серебряных нановолокон, изготовленных с использованием рулонной технологии, демонстрирующая их характер прозрачности и большего размера. СЭМ-изображения серебряных нановолокон показаны на рисунке 6C. На рисунке 6D можно увидеть, что по сравнению с другими прозрачными электродами, такими как ITO, нанотрубки Ag, графен, углеродные нанотрубки и PEDOT: PSS, изготовленные электроды обладают преимуществом пропускания и сопротивления листа.Кроме того, регулируя время распыления чернил, можно контролировать коэффициент пропускания. Демонстрация эксперимента светодиодного освещения показана на рисунке 6E. По сравнению с пленкой Ag, серебряное нановолокно обладает большей механической стабильностью и проводимостью при последовательном растяжении и изгибе, показанном на Рисунке 6F. Благодаря собственной гибкости, показанной на СЭМ-изображениях на Фигуре 6G, электроды из нановолокна могут выдерживать более 2000 циклов изгиба и отпускания при сохранении сопротивления, как показано на Рисунке 6H.Используя технологию производства рулонов, функциональные чернила могут быть напечатаны на подложке, образуя гибкие электроды с высокой эффективностью. Изготовленные электроды сохраняют высокий коэффициент пропускания и отличную гибкость, обладая при этом относительно высокой проводимостью, что очень полезно для дисплеев. Сохранение высокой производительности и одновременно высокого n является преобладающим преимуществом технологии производства рулонов, которая может удовлетворить высокие потребности массового производства.То же самое можно сказать и о других физических процессах, когда электроды демонстрируют относительно слабое сцепление с гибкими подложками.

Рис. 6. (A) Схема рулонной печати для трафаретной печати (Bae et al., 2010). Воспроизведено с разрешения Macmillan Publishers Limited, 2010 г. (B) Оптические изображения электродов из серебряных нановолокон. (C) СЭМ-изображения серебряных нановолокон. (D) Сравнение удельного сопротивления листов серебряных волоконных электродов и других прозрачных электродов. (E) Демонстрация светодиодной подсветки с использованием изготовленных электродов. (F) Вариации поверхностного сопротивления серебряных нановолокон и Ag на подложках из ПЭТФ при различных радиусах изгиба. (G) СЭМ-изображения серебряных нановолокон при изгибе. (H) Испытание на стабильность проводящей ленты, состоящей из ПЭТ / серебряного нановолокна / ПЭТ (Lin S. et al., 2017). Воспроизведено с разрешения 2017 г. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм.

Технология струйной печати

В отличие от технологии трафаретной печати, с узорами, ограниченными ракелем, изготовление струйной печати сверху вниз является одной из технологий «прямого письма», где рисунки контролируются непосредственно компьютерными программами.Не ограничиваясь конкретными рисунками, эта технология подходит для изготовления электродов по индивидуальному заказу. Синтез токопроводящих чернил — одна из основных частей технологии струйной печати. На рис. 7A показано производство на месте чернил с нанопроводящими частицами золота (Abulikemu et al., 2014). Основанный на механизме пьезоэлектрического струйного принтера, который содержит преобразователь в соплах и под давлением напряжения генерирует функциональные капли чернил, выбрасываемые из сопла.В зависимости от формы пьезоэлектрического преобразователя и его различных способов воздействия различают четыре основных типа пьезоэлектрических элементов; сжимайте, срезайте, сгибайте и толкайте, как показано на рисунке 7B соответственно. Последовательность образования капель из сопла струйного принтера показана на рисунке 7C. Технология струйной печати была использована для изготовления суперконденсаторов, показанных на рисунке 7D. Примечательно, что электроды были напечатаны композитной краской из одностенных углеродных нанотрубок и активированного угля.Найджи Мацухиса и др. Сообщили о синтезе проводника из хлопьев серебра, фторкаучука и фторсодержащего поверхностно-активного вещества в качестве чернил для текстильных электродов. На рис. 7E показаны компоненты чернил и растяжимость проводников с рисунком. Преодолевая ограничение устоявшихся рисунков, технология печати имеет большие преимущества при изготовлении электродов произвольной формы. Тем не менее, с одной стороны, аналогично технологии трафаретной печати, функциональные чернила переносятся на подложки физическими средствами, что приводит к более слабому соединению по сравнению с методами изготовления снизу вверх.С другой стороны, для улучшения проводимости электродов решающее значение имеет стадия спекания, что равносильно потреблению большой мощности.

Рисунок 7. (A) Синтез наночастиц Au на месте при печати чернилами (Abulikemu et al., 2014). Воспроизведено с разрешения компании John Wiley & Sons в 1999–2018 гг. (B) Четыре типа пьезоэлектрических струйных сопел (Eshkalak et al., 2017). Воспроизведено с разрешения Elsevier B.V., 2018. (C) Капля выброса чернил (Dankoco et al., 2016). Воспроизведено с разрешения Elsevier B.V., 2018 г. (D) Изготовление суперконденсаторов методом струйной печати (Choi et al., 2016). Воспроизведено с разрешения Королевского химического общества, 2016 г. (E) Процесс изготовления эластичных чернил и печатных эластичных узоров под действием растягивающего усилия (Matsuhisa et al., 2015). Воспроизведено с разрешения Macmillan Publishers Limited, 2015 г.

Сочетание технологий трафаретной и струйной печати

Для некоторых приложений одна технология печати не может удовлетворить потребность в производственном процессе, поэтому желательно сочетание технологий печати.Процесс изготовления органических тонкопленочных транзисторов на гибких подложках основан на нескольких технологиях печати, включая технологии струйной печати и трафаретной печати, как показано на рисунке 8A. Во-первых, в качестве краски для трафаретной печати, использованной в этом эксперименте, использовались графеновые чернила, которые имеют высокую вязкость ~ 70 Па, чтобы предотвратить чрезмерное растекание из подложки. Ракель был изготовлен из кремния, а электроды с печатным рисунком подвергались воздействию ксеноновой лампы для улучшения проводимости электродов с нанесенным графеном.Канал наносился методом аэрозольной печати, а диэлектрик затвора наносился методом струйной печати. Изображения одного электрода и нескольких электродов показаны на рисунках 8B, C соответственно. Детали гибких графеновых электродов показаны на рисунках 8D – G. Ширина и толщина печатного электрода, изготовленного с помощью силиконового ракеля, с отверстием 30 мкм ~ 58,2 ± 7 мкм и 1,11 ± 0,9 мкм, соответственно, показаны на рисунках 8D, E. Комбинируя технологии печати, можно полностью реализовать преимущества различных техник.

Рис. 8. (A) Транзисторная процедура с использованием технологий трафаретной и струйной печати. (B) Оптическая микроскопия изображений транзисторов. (C) Оптическая фотография напечатанной матрицы транзисторов. (D) Оптическое микроскопическое изображение графенового электрода. (E) Профиль поверхности графенового электрода. (F, G) СЭМ-изображения с малым и большим увеличением графеновых электродов с трафаретной печатью (Hyun et al., 2015b). Воспроизведено с разрешения компании WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., 2015 г.KGaA, Вайнхайм.

Мягкая литография

Мягкая литография — эффективный метод изготовления узорчатых электродов. Стефани Лохманн и др. сообщили о новом способе изготовления электродов микроконденсаторов на основе мягкой литографии (Lochmann et al., 2018). На рис. 9А показана процедура изготовления. Капля раствора прекурсора растекалась по подложке, и штамп вдавливался в раствор прекурсора. После термической обработки штамп отклеился, оставив на подложках нужные встречно-штыревые электроды.На рисунках 9B, C показаны изображения встречно-штыревых углеродных электродов. Эдуардо и др. сообщили о новом нанокомпозите на основе AgNW, диспергированных в полиметилметакрилате, с поверхностным сопротивлением менее 10 Ом на кв. –1 , приемлемым сопротивлением для гибких электродов (Martínez et al., 2016). Изготовленное сопротивление, основанное на мягкой литографии, показано на рисунках 9B, C. Оптические изображения проводящих дорожек в режимах светлого поля и темного поля показаны на рисунках 9D, E, соответственно.Длина электрода ~ 100 мкм.

Рис. 9. (A) Схематическая диаграмма электродов, использованных методом мягкой литографии (Lochmann et al., 2018). Воспроизведено с разрешения Королевского химического общества 2018 г. (B) Оптические изображения изготовленных электродов (B) Оптические изображения гибких проводящих электродов. (C) Измерение проводящей дорожки. Оптические изображения в режимах светлого поля и темного поля показаны в (D, E) соответственно (Martínez et al., 2016). Воспроизведено с разрешения IOP Publishing Ltd.

, 2016 г.

Технологии печати электродов снизу-вверх

В дополнение к физическим методам нанесения проводников или печати на подложки, также используются химические методы. В отличие от физического переноса чернил на подложку, восходящие методы включают химическую реакцию, которая происходит на поверхности, укрепляя связь между электродами и подложками. Здесь рассматриваются два основных химических метода.

Полимерное осаждение (PAMD)

Полная стратегия обработки раствора, осаждение металла с помощью полимера (PAMD), используется для изготовления гибких сгибаемых и растягиваемых металлических (особенно Cu) электродов на гибких подложках. Рисунок 10A — иллюстрация PAMD и ее приложений. Упомянутые области применения полимерного осаждения такие же, как показано на рисунке 9A. В рамках технологии осаждения с помощью полимера полимер связывается с подложками химически или физически тремя основными способами: инициируемой поверхностью полимеризацией, in situ свободнорадикальной полимеризацией и самосшиванием полимера, как показано на рисунке 10A.Скрепления гарантируют, что полимерный слой плотно прилегает к подложкам и не выпадает во время следующих шагов. Тонкая металлическая пленка на растягивающейся подложке, которая функционирует как электрод, показана в верхней части рисунка 10А. При работе с методом каталитической печати с использованием матрицы (MACP) осаждение с помощью полимера демонстрирует его способность изготавливать узорчатые металлические электроды, как показано в левом нижнем углу рисунка 9A. Осаждение с помощью полимера также позволяет изготавливать трехмерные растягиваемые и сжимаемые губки, как показано в правом нижнем углу рисунка 10А.Процесс осаждения металла состоит из трех основных этапов: модификация подложек, иммобилизация каталитических фрагментов и нанесение электродов. На основе PAMD могут быть изготовлены металлические электроды, межсоединения с рисунком и металлические губки. Комбинация PAMD и вдохновения из естественных вен и прозрачных электродов, напоминающих вену, была описана Yu et al. (2015a) Рисунок 10B демонстрирует процедуру нанесения Cu на естественную жилу. Цифровые и СЭМ-изображения естественных вен и венозных электродов показаны на рисунках 10C – E соответственно.Прозрачные электроды поддерживают иерархическую структуру жил с толщиной металла Cu ~ 250 нм. На рисунке 10F показано, как можно использовать гибкие электроды при освещении массива светодиодов с объемным сопротивлением ~ 4 Ом. Электроды, встроенные в подложки, изготовленные с помощью PAMD, обладают большей гибкостью и адгезией к подложкам, чем электроды с использованием физических методов. Кроме того, электроды также демонстрируют высокое разрешение в наномасштабе и высокую проводимость более 10 5 См · см -1 .Фиг.10G представляет собой оптическое изображение прозрачных электродов и натуральных листьев, демонстрирующее их высокую прозрачность.

Рис. 10. (A) Схематическое изображение осаждения металла с помощью полимера и его различных применений, включая узорчатые металлические электроды и металлические губки (Yu et al., 2014). Воспроизведено с разрешения 2014 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. (B) Процесс изготовления прозрачных электродов на основе жил. (C, D) СЭМ-изображения естественных вен. (E, F) СЭМ-изображения прозрачных электродов на основе вен. (G) Оптическая фотография венозных электродов (Yu et al., 2015a). Воспроизведено с разрешения 1999–2018 гг. John Wiley & Sons, Inc.

Технология ионного обмена

В качестве восходящего метода ионообменное производство использует механизм реакции замещения между K + и Ag + и восстановления Ag + нанесенным металлом в желаемой зоне PI.На рис. 11А показана схема гибких электродов из серебра, прошедших этапы гидролиза, ионного обмена и термической обработки. После погружения в раствор КОН на поверхность полиимида залили ионы К + , а затем модифицировали полимерами акриловой кислоты (ПАК). Ионный обмен K + на Ag + достигается путем погружения подложки в раствор AgNO 3 и NH 3 · H 2 O. Узорчатые электроды из серебра получают двумя различными способами.Во-первых, подложки PI, модифицированные КОН, наклеиваются на бумагу, и струйная печать с использованием угольных чернил используется в качестве маски для восстановления ионов Ag + до атомов серебра в растворе H 2 O 2 . Во-вторых, пленки PI, напечатанные струйной печатью, подвергаются термическому отверждению в воздушной печи. На рис. 11В показано оптическое изображение гибких решеток Ag-электродов на PI. Возможность печати в виде массива может выполнять множество функций. Один единственный встречно-штыревой электродный элемент сравним по размеру с монетой.На рисунках 11C, D показана различная морфология электродов до и после покрытия Au. Помимо упомянутых относительно простых этапов изготовления, стоимость процесса изготовления невысока и не требует сложных устройств и сверхчистой среды. Кроме того, процесс изготовления не приводит к загрязнению воздуха или воды и имеет низкое энергопотребление. Технология одноступенчатой ​​маски упрощает процедуры создания узорчатых электродов, в то время как проводимость и толщину электродов можно регулировать, регулируя время реакции ионного обмена и концентрацию раствора КОН и H 2 O 2 , используемых во время процедура.Точно так же при осаждении с использованием полимера адгезия между электродами и гибкой подложкой из PI является сильной. Процесс полного растворения исключает возможность загрязнения воздуха; следовательно, сформированные мысленные электроды компактны. Кроме того, реакция ионного обмена происходит только на поверхности подложек из PI, в то время как средняя часть подложек из PI остается неизменной из-за своей механической прочности и стабильности. На основе печатных электродов массивы чувствительных к давлению пленок графен / оксид графена помещаются на подложки из PI, тем самым создавая усовершенствованное электрическое одеяло, показанное на рисунках 11E, F.Эти датчики давления работают при постоянном напряжении. Когда на датчик действует приложенная сила, их сопротивление уменьшается, а ток увеличивается. Увеличивающийся ток и давление могут привести к выделению тепла. Инфракрасные изображения отражают температуру объекта. При нагруженном давлении соответствующее инфракрасное изображение отображается на рисунке 11G, демонстрируя возможность применения в будущем. Идентичный технологии PAMD, метод ионного обмена принципиально решает проблему слабых соединений между электродами и подложками, сохраняя при этом хорошую проводимость и высокое качество раствора.

Рисунок 11. (A) Процедура изготовления датчиков влажности с встречно-штыревыми электродами из серебра с использованием ионообменного метода. (B) Оптическая фотография матрицы встречно-штыревых электродов из серебра (Yang et al., 2015). Воспроизведено с разрешения 2015 г. Elsevier B.V. (C, D) СЭМ-изображения пленки Ag до и после покрытия Au. (E) Матрица резистивных чувствительных пленок графен / оксид графена на серебряных электродах. (F, G) Демонстрация усовершенствованного электрического одеяла и тепловых инфракрасных изображений с нагрузочным давлением (Liu et al., 2017). Воспроизведено с разрешения Американского химического общества.

На основе традиционной технологии осаждения Ag на подложку можно также получить композиты Ag и нанотрубок для улучшения характеристик суперконденсаторов. На рисунке 12A показана блок-схема микроконденсаторов с Ag / многостенными нанотрубками (MWNT) в качестве встречно-штыревых электродов. Чистую подложку из PI погружали в раствор КОН и затем покрывали светочувствительной пленкой. Используя пленку электрода с рисунком, напечатанную струйной печатью, в качестве маски, подготовленный композит из PI и светочувствительной пленки подвергали воздействию воздуха и затем погружали в NaCO 3 для формирования электродов с рисунком на пленке.Ионный обмен происходит, когда защищенная маской пленка PI постепенно пропитывается Ag (NH 3 ) 2+ и раствором H 2 O 2 . Затем электроды из ПИ и серебра погружают в раствор МУНТ и сушат на воздухе. Узорчатую светочувствительную пленку удаляют, оставляя встречно-штыревые электроды Ag / MWNT на PI. На рисунках 12B, C представлены оптические изображения изготовленных электродов на изгибаемом PI. После изгиба электроды прилипали к подложке без зазора.Как показано на СЭМ-изображении на Фигуре 12D, электроды были встроены в поверхность подложки, что привело к хорошей надежности изгиба, в то время как профиль электродов также был четким и хорошо определенным. На рис. 12Е показано изображение электродов, полученное с помощью оптической микроскопии. Рисунок электрода четко очерчен без деформации, ширина составляет ~ 100 мкм. На СЭМ-изображении серебряного микротокового коллектора, изготовленного с помощью ионообменного метода, показанного на рисунке 12F, толщина составляет ~ 200 нм.На рисунке 12G показано сравнение проводимости объемной пленки Ag, изготовленной с использованием метода ионного обмена и WMNT. Измеренная проводимость пленки Ag составляет ~ 1.68 × 10 5 с см −1 , что намного выше, чем проводимость WMNT, и сравнима с проводимостью массы Ag. Исходя из деталей, рассмотренных выше, технические параметры различных технологий перечислены в таблице 1.

Рис. 12. (A) Блок-схема микроконденсаторов, использующих металлизацию поверхности методом ионного обмена. (B, C) Оптические изображения суперконденсаторов с печатными электродами. (D) СЭМ-изображение границы подложки и электрода. (E) Оптическое изображение электродов многослойных углеродных нанотрубок. (F) СЭМ-изображение металлического токоприемника. (G) Сравнение проводимости различных материалов в качестве электродов (Yu et al., 2015b). Воспроизведено с разрешения Королевского химического общества 2015 г.

Таблица 1 .Технические характеристики гибких электродных технологий.

Резюме

Производство гибких электродов, применяемых в гибкой электронике, можно разделить на две категории процессов изготовления: сверху вниз и снизу вверх. В технологии сверху вниз используются физические процедуры для нанесения органических и неорганических материалов непосредственно на подложку. Обычные методы обладают высокой растворимостью и высокой проводимостью. Для технологий трафаретной и струйной печати одностадийный перенос функциональных чернил на подложку снижает затраты, тогда как восходящие технологии, включая PAMD и ионный обмен, дают очевидное преимущество прочной адгезии между металлом и подложками на их поверхности. как следствие их взаимопроникновения.

Перспектива

Хотя существующие производственные технологии обещают удовлетворить требования к гибким электродам, используемым в гибких электронных устройствах, остаются проблемы, связанные с получением недорогого, высокопроизводительного, высокопроизводительного производственного процесса с высокой проводимостью.

Высокотемпературная обработка в традиционных производственных технологиях. В нисходящих методах процесса изготовления для физического испарения и осаждения требуется, чтобы металл испарился, а технология печати требует процесса спекания для улучшения проводимости.Среди всех процедур, упомянутых выше, необходима термическая обработка, другими словами, стоимость термической обработки относительно выше, чем стоимость восходящих методов. Следовательно, получение недорогого метода остается большой проблемой для этих технологий.

Выбор и синтез красок в технологиях трафаретной и струйной печати. Чернила играют важную роль в технологиях печати, поскольку они отвечают за растворение, проводимость и адгезию к подложкам.Многие органические и неорганические материалы использовались для изготовления гибких электродов, и улучшения в растворе и высокой проводимости являются будущими целями.

Прорыв в металлических ограничениях. Восходящие технологии, которые используют катализатор или реакцию восстановления для внедрения металла в поверхность поверхности подложки, ограничены ограниченным выбором металлов. На подложки необходимо нанести различные металлы, чтобы изучить их соответствующие характеристики.

Совместимость с технологией Roll-to-Roll.Массовое производство — конечная цель печатной электроники, которая отличается низкой стоимостью и высокой производительностью, поэтому совместимость с технологией Roll-to-Roll имеет большое значение. И нисходящие, и восходящие технологии должны учитывать совместимость массового производства.

Взносы авторов

XW и JZ продумали и спроектировали структуру обзора. Рукопись написали QuL, JZ, QiL, GL, XT, ZL и FQ. Все авторы участвовали в обсуждении и оставляли комментарии к рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить за поддержку NSFC (11504111 и 61574060), грант Комиссии по проектам науки и технологий Шанхайского муниципалитета (5JC1401800 и 14DZ2260800), Программу профессоров по специальным назначениям (восточные ученые) и Шанхайское восстание. Star Program (17QA1401400), а также Фонды фундаментальных исследований для центральных университетов.

Список литературы

Абуликему М., Даас Э. Х., Хаверинен Х., Ча Д., Малик М. А. и Джаббур Г. Э. (2014). In situ синтез самособирающихся наночастиц золота на стеклянной или кремниевой подложке посредством реактивной струйной печати. Angew. Chem. 53, 420. DOI: 10.1002 / anie.201308429

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Bae, S., Kim, H., Lee, Y., Xu, X., Park, J. S., Zheng, Y., et al. (2010). Производство 30-дюймовых графеновых пленок для прозрачных электродов с рулона на рулон. Нат. Nanotechnol. 5: 574–578. DOI: 10.1038 / nnano.2010.132

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бария, М., Шахпар, З., Парк, Х., Сан, Дж., Юнг, Ю., Гао, В. и др. (2018). Электрохимические датчики с рулонной глубокой печатью для носимых и медицинских устройств. ACS Nano 12, 6978–6987. DOI: 10.1021 / acsnano.8b02505

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бермудес, Г.С.С., Карнаушенко, Д.Д., Карнаушенко Д., Лебанов А., Бишофф Л., Кальтенбруннер М. и др. (2018). Магниточувствительные электронные скины с направленным восприятием для дополненной реальности. Sci. Adv. 4: eaao2623. DOI: 10.1126 / sciadv.aao2623

CrossRef Полный текст

Byun, J., Lee, Y., Yoon, J., Lee, B., Oh, E., Chung, S., et al. (2018). Электронные оболочки для мягкой, компактной, двусторонней сборки полностью мягких роботов, активируемых по беспроводной сети. Sci Reb. 3: eaas 9020. doi: 10.1126 / scirobotics.aas9020

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Chen, L., Wei, X., Zhou, X., Xie, Z., Li, K., Ruan, Q., et al. (2017). Формирование рисунка на больших площадях металлических наноструктур методом погружной литографии с наноперемещением для оптических приложений. Малый 13: 1702003. DOI: 10.1002 / smll.201702003

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Choi, K.-H., Yoo, J., Lee, C.K., and Lee, S.-Y. (2016). Полностью струйная печать, твердотельные гибкие суперконденсаторы на бумаге. Energy Environ. Sci. 9: 2812. DOI: 10.1039 / c6ee00966b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чу, Ю., Чжун, Дж., Лю, Х., Ма, Й., Лю, Н., Сун, Ю. и др. (2018). Диагностика пульса человека для медицинского обследования с использованием носимой пьезоэлектретной сенсорной системы. Adv. Функц. Mater. 28: 1803413. DOI: 10.1002 / adfm.201803413

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кронин, С.Д., Сабольский, К., Сабольский, Э.М., и Сьеррос, К.А.(2014). Нанолитография с помощью пера и перенос zno-рисунков на пластмассах для гибких оптоэлектронных приложений большой площади. Тонкие сплошные пленки 552, 50–55. DOI: 10.1016 / j.tsf.2013.12.018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Данкоко, М. Д., Тесфай, Г. Ю., Беневент, Э., и Бендахан, М. (2016). Датчик температуры реализован методом струйной печати на гибкой основе. Mater. Sci. Англ. В 205, 1–5. DOI: 10.1016 / j.mseb.2015.11.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эшкалак, С.К., Чиннаппан, А., Джаятилака, В. А. Д. М., Хатибзаде, М., Ковсари, Э., и Рамакришна, С. (2017). Обзор струйной печати композитов Cnt для смарт. Приложения 9, 372–386. DOI: 10.1016 / j.apmt.2017.09.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, В., Эмаминеджад, С., Найн, Х.Й., Чалла, С., Чен, К., Пек, А. и др. (2016). Полностью интегрированные наборы переносных датчиков для мультиплексного анализа потоотделения на месте. Природа 529, 509–514.DOI: 10.1038 / природа16521

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хюн, В. Дж., Секор, Э. Б., Херсам, М. К., Фрисби, К. Д., и Фрэнсис, Л. Ф. (2015a). Формирование графена с высоким разрешением путем трафаретной печати с помощью силиконового трафарета для очень гибкой печатной электроники. Adv. Mater. 27, 109–115. DOI: 10.1002 / adma.201404133

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хюн, В. Дж., Секор, Э. Б., Рохас, Г.А., Херсам, М. К., Фрэнсис, Л. Ф., и Фрисби, К. Д. (2015b). Полностью печатные складные органические тонкопленочные транзисторы на пергаминовой бумаге. Adv. Mater. 27, 7058–7064. DOI: 10.1002 / adma.201503478

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jang, K. I., Chung, H.U., Xu, S., Lee, C.H., Luan, H., Jeong, J., et al. (2015). Мягкие сетчатые композитные материалы с детерминированным и био-дизайном. Нат. Commun. 6: 6566. DOI: 10.1038 / ncomms7566

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Янг, К.I., Han, S.Y., Xu, S., Mathewson, K.E., Zhang, Y., Jeong, J.W. и др. (2014). Прочные и дышащие формы растягиваемой электроники с приклеивающимися композитными подложками для чрескожного мониторинга. Нат. Commun. 5: 4779. DOI: 10.1038 / ncomms5779

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хан С., Тинку С., Лоренцелли Л. и Дахия Р. С. (2015). Гибкие тактильные датчики с использованием композитных материалов P (Vdf-Trfe) и Mwcnt / Pdms с трафаретной печатью. IEEE Sens.J. 15, 3146–3155. DOI: 10.1109 / JSEN.2014.2368989

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким Ю., Чортос А., Сюй В., Лю Ю., О, Дж. Ю., Сон Д. и др. (2018). Биоинспирированный гибкий органический искусственный афферентный нерв. Science 360, 998–1003. DOI: 10.1126 / science.aao0098

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Х., Сонг, К., Хонг, Ю.С., Ким, М.С., Чо, Х.Р., Кан, Т. и др. (2017). Носимое / одноразовое устройство для контроля уровня глюкозы в крови через пот с многоступенчатым трансдермальным модулем доставки лекарств. Sci. Adv. 3: e1601314. DOI: 10.1126 / sciadv.1601314

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lee, S.-S., Choi, K.-H., Kim, S.-H., and Lee, S.-Y. (2018). Носимые суперконденсаторы, нанесенные на одежду. Adv. Функц. Mater. 28: 1705571. DOI: 10.1002 / adfm.201705571

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Леунг, С. Ф., Хо, К. Т., Кунг, П. К., Сяо, В. К. С., Альшариф, Х. Н., Ван, З. Л. и др. (2018). Автономный и гибкий металлоорганический галогенидный фотодетектор на перовските с очень высокой обнаруживающей способностью. Adv. Mater. 30: 1704611. DOI: 10.1002 / adma.201704611

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, J., Lu, W., Yan, Y., and Chou, T.-W. (2017). Высокопроизводительный твердотельный гибкий суперконденсатор на основе тройных пленок Fe3o4 / углеродные нанотрубки / полианилин. J. Mater. Chem. 5, 11271–112177. DOI: 10.1039 / c7ta02008b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, В., Чен, М., Цзинь, Х., Лю, Дж., Цзэн, З., Чжан, Х., и другие. (2017). Эффективное изготовление гибких метаматериалов с отрицательным показателем преломления с помощью простого метода трафаретной печати. J. Mater. Chem. С 5, 5378–5386. DOI: 10.1039 / c7tc01091e

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лин, К. К., Сан, Д. С., Лин, Ю. Л., Цай, Т. Т., Ченг, К., Сан, В. Х. и др. (2017). Гибкий и миниатюрный фотодетектор на основе краски для волос с хемилюминесцентным путем. Biosens. Биоэлектрон. 90, 349–355. DOI: 10.1016 / j.bios.2016.12.011

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Lin, S., Bai, X., Wang, H., Wang, H., Song, J., Huang, K., et al. (2017). Производство прозрачных сетчатых электродов из серебра и нановолокна для гибких электрохромных смарт-окон на рулонах. Adv. Mater. 29: 1703238. DOI: 10.1002 / adma.201703238

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лю С., Ву X., Чжан Д., Го, К., Ван, П., Ху, В. и др.(2017). Сверхбыстрые датчики динамического давления на основе гибридной структуры графена. ACS Appl. Mater. Интерфейсы 9, 24148–24154. DOI: 10.1021 / acsami.7b07311

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст |

Выбор правильных электродов для tDCS

Tweet
Как правило, с tDCS можно использовать 3 различных типа электродов; самоклеящиеся резиновые углеродные подушечки и губчатые электроды. Полезно разбираться в различных типах электродов, чтобы вы могли выбрать, какой вариант лучше всего подходит для вашей ситуации.Кроме того, мы предлагаем адаптеры, которые позволяют использовать стимулятор мозга с любыми из этих типов электродов.

Электроды самоклеящиеся

Самоклеящиеся электроды

недороги и практически не требуют подготовки к использованию. Однако, хотя эти типы электродов удобны, их можно использовать только на голых участках кожи, практически без волос. Для обеспечения максимальной эффективности электродов этого типа требуется чистая поверхность и надежное соединение. Кроме того, самоклеющиеся электроды не рекомендуется использовать для диапазонов тока выше 1.5 мА. Самоклеящиеся электроды часто обладают высоким уровнем сопротивления и могут не подходить для всех монтажных работ (размещения электродов).

Резиновые угольные электроды

Резиновые угольные электроды

немного дороже самоклеящихся электродов, требуют большей подготовки и, как правило, не рекомендуются для tDCS. Резиновые угольные электроды требуют использования геля определенной проводимости. Гель необходимо наносить обильно и полностью контактировать с целевой областью.Кроме того, следует использовать что-то вроде повязки на голову, чтобы закрепить электроды, чтобы предотвратить их перемещение или скольжение.

Губчатые электроды

Губчатые электроды , безусловно, лучшие электроды для tDCS, однако большинство губчатых электродов на рынке довольно дороги. Кроме того, губчатые электроды необходимо смочить в физиологическом растворе (вода + соль), чтобы пользователь мог легко получить доступ даже к густым участкам волос.Что-то вроде повязки на голову обычно используется для удержания губчатых электродов на месте во время сеанса tDCS, и мы также предлагаем повязки для продажи на нашем веб-сайте.

К сожалению, в настоящее время мы не продаем губчатые электроды из-за их высокой стоимости. Наша миссия — сделать tDCS доступным, а текущие цены не позволяют нам этого сделать. Мы работаем над разработкой собственных губчатых электродов, которые позволят нам контролировать цену. Тем временем мы предлагаем адаптеры, которые позволяют нашим клиентам использовать наши устройства с губчатыми электродами по своему выбору.

Изготовление губчатых электродов своими руками

Самым дешевым вариантом будет изготовление губчатых электродов своими руками. Это можно сделать довольно легко, если взять стандартную кухонную губку и прикрепить к ней токопроводящий металл, например нержавеющую сталь или медь (см. Рисунки ниже). Хотя токопроводящий металл не является абсолютно необходимым, он помогает равномерно распределять электричество по губкам. В настоящее время мы предлагаем адаптеры для зажимов типа «крокодил», которые позволяют использовать The Brain Stimulator с самодельными губками.
Примечание. Убедитесь, что металл зажима из кожи аллигатора не касается голой кожи во время сеанса. Это может вызвать концентрацию тока в этой области. Лучшее решение — вставить один зубец зажима «крокодил» внутрь губки.

Губчатые электроды Amrex

На рисунке ниже показаны губчатые электроды Amrex, которые, возможно, являются лучшими губчатыми электродами на рынке и предпочитаются многими энтузиастами tDCS. Электроды Amrex можно приобрести непосредственно на веб-сайте Amrex, но для клиентов из других стран, которые не могут приобрести их в Amrex, мы предлагаем их для продажи в нашем интернет-магазине.Кроме того, в нашем интернет-магазине вы также можете найти наши адаптеры для электродов Amrex.

высококачественных сухих электродов для ранее невозможных исследований ЭМГ

13 июля 2016 г., Medgadget Editors Neurology, Rehab

Электромиография

(ЭМГ) регулярно используется для оценки мышечной активности пациентов, но она неэффективна для долгосрочного мониторинга и высокоточных приложений, поскольку для ее работы используются гелевые электроды.Сухие электроды недостаточно эффективны для создания постоянного электрического соединения с кожей, но теперь исследователи из Тель-Авивского университета в Израиле разработали новые сухие электроды, которые могут записывать высококачественную ЭМГ, будучи удобными для пользователя.

Исследователи создали татуированное устройство, способное непрерывно проводить электромиографию мышц лица и руки. Новые электроды состоят из трафаретной печати угольными чернилами на мягком гибком материале.Поскольку они обладают высокой проводимостью, оставаясь прилипшими к коже во время движения, проводящий гель становится ненужным.

Помимо изучения мышечной активности, исследователи считают, что новые электроды могут привести к новым интерфейсам мозг-машина, диагностике мышц, реабилитации и игровым приложениям.

Из аннотации:

Электроды изготовлены методом трафаретной печати угольной краской на мягкой подложке. Соответствие электродов позволяет установить прямой контакт с кожей, поэтому использование геля излишне.3,4-этилендиокситиофен, полимеризованный в плазме, использовали для увеличения импеданса электродов. Измерения циклической вольтамперометрии показали увеличение емкости электродов до 100 раз во влажных условиях. Измерения импеданса показывают 10-кратное уменьшение импеданса электрода на коже человека. Продемонстрирована пригодность электродов для длительной записи электромиографии с руки и с лица.

Исследование в Scientific Reports : Временная татуировка для долговременных высокоточных записей биопотенциала…

Наконечник шляпы для Engadget…

Редакторы Medgadget

Медицинские технологии меняют мир! Присоединяйтесь к нам и наблюдайте за прогрессом в реальном времени.В Medgadget мы сообщаем о последних технологических новостях, интервьюируем лидеров отрасли и храним сообщения о медицинских мероприятиях по всему миру с 2004 года.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.