Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6499
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
C 25D 19/00
(54) УСТАНОВКА ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОНАНОСТРУКТУР
НА АНОДНОМ ОКСИДЕ АЛЮМИНИЯ
(21) Номер заявки: u 20100123
(22) 2010.02.09
(71) Заявитель: Государственное науч-
ное учреждение "Институт физики
имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Мухуров Николай Иванович;
Кривоносов Сергей Сергеевич; Жва-
вый Сергей Павлович; Гасенкова Ири-
на Владимировна; Остапенко Евгения
Викторовна (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт физи-
ки имени Б.И.Степанова Националь-
ной академии наук Беларуси" (BY)
(57)
Установка для формирования микронаноструктур на анодном оксиде алюминия, со-
держащая ванну с электролитом, электропроводящий держатель образца, образец, контак-
тирующий с электролитом, катод, распложенный в ванне, отличающаяся тем, что ванна
выполнена в виде цилиндра, а в качестве электропроводящего держателя образца исполь-
зован ультразвуковой преобразователь на частоту 80 кГц, механически соединенный с ме-
ханизмом вращения, содержащим, как минимум, по четыре входные и выходные
электропроводящие щетки, две входные щетки электрически соединены с ультразвуковым
генератором, а две другие - с источником постоянного напряжения, при этом ультразвуко-
вой генератор и источник постоянного напряжения электрически соединены с микро-
процессорным устройством, две выходные электропроводящие щетки электрически
соединены с ультразвуковым преобразователем, а две другие - соответственно с катодом и
Фиг. 1
BY6499U2010.08.30

2. BY 6499 U 2010.08.30
2
образцом, при этом катод выполнен в виде цилиндра внутри цилиндрической ванны, а
ванна с внешней стороны по всей поверхности снабжена рубашкой охлаждения с верти-
кальными каскадами перелива.
(56)
1. Патент Канады 2425296, МПК C 25D 11/08, 2003.
2. Патент RU 2332528, МПК C 25D 19/00, 2006.
Полезная модель относится к области электрохимии, а конкретно к анодному окисле-
нию алюминия.
Известна электрохимическая ячейка [1], содержащая электропроводящий держатель
образца, ванну с электролитом, контактирующим с образцом, и устройство регулирования
температуры в электрохимической ячейке, обеспечивающее регулирование температуры
объема электролита.
Данная электрохимическая ячейка не позволяет получать большие толщины оксида
алюминия, низкая воспроизводимость и однородность в связи с тем, что осуществляется
термостабилизация только объема электролита, а зона электрохимической реакции, где
происходит основное выделение тепла, не термостабилизируется, что снижает скорость
пленкообразования, а поэтому зависимость роста толщины пленки от плотности тока те-
ряет линейный характер, и при достижении толщины пленки определенных размеров теп-
лоотвод из пор затрудняется и рост толщины пленки оксида алюминия все более
замедляется, повышение температуры образца приводит к возникновению механических
напряжений в нем, которые ограничивают диффузию и, соответственно, дрейф ионов в
зону реакции, в результате энергия активации диффузии ионов в объеме подложки (об-
разца) возрастает, а это приводит к уменьшению коэффициента диффузии ионов, опреде-
ляющего скорость реакции образования анодного оксида в объеме образца. По мере роста
толщины пленки оксида механические напряжения в объеме подложки растут, процесс
дальнейшего роста толщины пленки оксида прекращается.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является
электрохимическая ячейка [2] для получения пористых анодных окислов металлов, со-
держащая электропроводящий держатель образца, выполненный из латуни, образец, пред-
ставляющий собой металлическую пластину, фторопластовую ванну с электролитом,
состоящим из водного раствора кислоты и контактирующим с образцом, противоэлектрод,
выполненный из нержавеющей стали, тоководы к держателю образца и противоэлектроду
и устройство регулирования температуры, которое состоит из термоэлемента Пельтье,
датчика контроля температуры и блока управления. Термоэлемент Пельтье непосред-
ственно контактирует с поверхностью электропроводящего держателя образца.
Данное устройство не позволяет получать однородные пористые пленки оксида алю-
миния на больших площадях и их воспроизводимость несмотря на температурную стаби-
лизацию образца в связи с отсутствием перемешивания электролита в течение всего цикла
прохождения процесса анодирования. Это приводит к более быстрому изменению компо-
зиции между объемным электролитом и в приповерхностном слое образца, что увеличи-
вает концентрацию продуктов растворения на входе в отверстия пор, в результате
изменяется концентрационный градиент, а соответственно, и коэффициент диффузии.
Ухудшение обмена электролита ограничивает диффузию и, соответственно, дрейф ионов
в зону реакции, процесс дальнейшего роста толщины пленки оксида прекращается.
Технической задачей полезной модели является получение однородных микронано-
структур на анодном оксиде алюминия на больших площадях и их воспроизводимость.
Решение технической задачи достигается тем, что в установке для формирования мик-
ронаноструктур на анодном оксиде алюминия, содержащей ванну с электролитом, элек-

3. BY 6499 U 2010.08.30
3
тропроводящий держатель образца, образец, контактирующий с электролитом, катод, рас-
пложенный в ванне, ванна выполнена в виде цилиндра, а в качестве электропроводящего
держателя образца использован ультразвуковой преобразователь на частоту 80 кГц, меха-
нически соединенный с механизмом вращения, содержащим, как минимум, по четыре
входные и выходные электропроводящие щетки, две входные щетки электрически соеди-
нены с ультразвуковым генератором, а две другие - с источником постоянного напря-
жения, при этом ультразвуковой генератор и источник постоянного напряжения
электрически соединены с микропроцессорным устройством, две выходные электропро-
водящие щетки электрически соединены с ультразвуковым преобразователем, а две дру-
гие - соответственно с катодом и образцом, при этом катод выполнен в виде цилиндра
внутри цилиндрической ванны, а ванна с внешней стороны по всей поверхности снабжена
рубашкой охлаждения с вертикальными каскадами перелива.
Сущность полезной модели поясняется фиг. 1.
На фиг. 2 представлен вид сверху установки.
Установка для формирования микронаноструктур на анодном оксиде алюминия со-
держит ванну 1 с электролитом 4, по внешней окружности ванны 1 расположена рубашка
охлаждения 6, внутри ванны 1 расположен ультразвуковой преобразователь 3 на частоту
80 кГц, механически соединенный с образцом 2, контактирующий с электролитом 4, ме-
ханизм вращения 7 механически соединен с ультразвуковым преобразователем 3 и содер-
жит по четыре входные 8 и выходные 9 электропроводящие щетки, две входные щетки 8
электрически соединены с ультразвуковым генератором 10, а две другие - с источником
постоянного напряжения 11, при этом ультразвуковой генератор 10 и источник постоян-
ного напряжения 11 электрически соединены с микропроцессорным устройством 12, две
выходные щетки 9 электрически соединены с ультразвуковым преобразователем 3, а две
другие - соответственно с катодом 5 и образцом 2, при этом катод 5 выполнен в виде ци-
линдра,
Установка для формирования микронаноструктур на анодном оксиде работает следу-
ющим образом. В ванну 1 заливается электролит 4 на щавелевой кислоте, рубашка охла-
ждения 6 заполняется водой, образец 2 - алюминий, контактирующий с электролитом,
механически крепится на ультразвуковом преобразователе 3, механически соединенный с
механизмом вращения 7, микропроцессорное устройство 12 по программе включает ис-
точник постоянного напряжения 11 и ультразвуковой генератор 10. Положительное по-
стоянное напряжение от источника 11 через входные 8, выходные 9 электропроводящие
щетки механизма вращения 7 подается на образец 2, а отрицательное - на катод 12, высо-
кочастотное напряжение от ультразвукового генератора 10 через входные 8, выходные 9
электропроводящие щетки механизма вращения 7 подается на ультразвуковой преобразо-
ватель 3, который преобразует высокочастотный сигнал в механические колебания, кото-
рые за счет механического контакта передаются образцу 2, вращая его в ванне 1 с
электролитом 4 по окружности, воздействуя тем самым и на электролит 4, в результате
чего на образце формируется однородная по составу пленка оксида алюминия.
После цикла обработки образца 2 микропроцессорное устройство 12 отключает уль-
тразвуковой генератор 10 и источник постоянного напряжения 11. Рубашка охлаждения
6, расположенная с внешней стороны цилиндрической ванны 1, термостабилизирует
температуру электролита 4 и образца 2, а воздействие на образец 2 ультразвуковыми
колебаниями ультразвукового преобразователя 3 вызывает капиллярный эффект в мик-
ронаноструктуре оксида алюминия, тем самым улучшая условия прохождения электро-
химических реакций, кавитационный эффект при поверхностном слое образца с
электролитом образует конвекционные и акустические потоки в электролите, стабили-
зируя его однородность по составу и высокую степень воспроизводимости.

4. BY 6499 U 2010.08.30
4
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.