Прижимная ячейка для электрохимических измерений Советский патент 1992 года по МПК G01N27/28 

Изобретение относится к электрохимии и может быть использовано для проведения электрохимических измерений на исследуемых образцах, в частности, для определения толщины металлических и других электропроводящих покрытий.

Известна электролитическая ячейка- датчик для измерения толщины металлических покрытий, состоящая из графитового корпуса, являющегося катодом, со сквозным каналом и резиновой насадкой с отверстием, окружающей выходной конец корпуса. Резиновая насадка служит для плотного прижатия ячейки-датчика к металлическому покрытию, являющемуся анодом, и изоляции последнего от катода.

Однако известная ячейка-датчик имеет ряд существенных недостатков. Один сквозной канал позволяет электролиту находиться в ячейке лишь стационарно Продукты

электролиза, скапливающиеся в зоне контакта резиновой насадки датчиков с покрытием, препятствуют электролизу. Б связи с этим металлические покрытия из-за диффузионных ограничений растворяются на ограниченную глубину (например, марганец м никель на глубину не более 20 мкм). В результате большого межэлектродного расстояния и стационарного состояния электролита наблюдаются застойные явления, В начальный момент установки ячейки- датчика на поверхность металла после заливания электролита ее необходимо поднять от поверхности на высоту 1-2 мм для выпуска пузырьков втэздуха (иначе не будет контакта между электролитом и поверхностью металла). Невозможно послойно растворять многослойное металлическое покрытие при нахождении сверху менее электроотрицательных металлов.

Наиболее близкой к предлагаемой по конструкции и достигаемому результату является электролитическая ячейка-датчик для измерения толщины металлических покрытий, состоящая из графитового корпуса, являющегося катодом, со сквозным каналом в его центральной части и резиновой насадкой с отверстием, окружающей выходной конец корпуса. С помощью подвижного графитового катода, вставленного в сквозной канал, пространство последнего разделено на две ма стйТ одна из которых служит каналом для отвода рабочего электрода. В качестве катода, выполняющего роль вспомогательного электрода и электрода сравнения, служит графитовый корпус и подвижный графитовый катод, т.е. электрод сравнения и вспомогательный электродд объединены в один электрод.

Недостатком известного устройства является то, что указанное обстоятельство приводит к большим ошибкам при измерении потенциала, даже если ячейка имеет низкое сопротивление, з сила тока, протекаю 1его через ячейку, превышает несколько десятков миллиампера. Это, в свою очередь, приводит к ошибкам при расчете толщины покрытия. Форма катода не позволяет получить равномерное распределение тока, следствием чего является неравномерное растворение металлического покрытия с площади, ограниченной отверстием резиновой насадки. Имеющаяся в резиновой насадке высота мешает полному перемешиванию раствора у поверхности образца, что приводит к искажению результатов вследствие накопления продуктов реакции у поверхности образца

Низкая точность измерений также не позволяет определять толщину очень тонких покрытий и толщину многослойных покрытий в том случае, если потенциалы растворяемых металлов близки.

Кроме того, круг исследуемых объектов для данной ячейки весьма ограничен, так как эта ячейка может использоваться только для измерения толщины металлических покрытий.

Цель изобретения - повышение точности измерений и расширение круга исследуемых объектов.

Для достижения поставленной цели в прижимной ячейке для электрохимических измерений на исследуемых объектах, включающей корпус с выполненным в его центральной части сквозным каналом, в котором размещен вспомогательный электрод, и с каналом для отвода рабочего раствора, в корпусе дополнительно выполнены два сквозных канала, выходные отверстия которых совмещены с выходным отверстием канала для вспомогательного электрода, причем в одном из дополнительных каналов расположен электрод сравнения, а канал

для отвода рабочего раствора выполнен в верхней части ячейки и соединен с каналом для вспомогательного электрода

На фиг. 1 представлена схематически заявляемая прижимная электрохимическая

ячейка; на фиг. 2 - то же, вид сбоку.

Ячейка представляет собой корпус 1, в теле которого выполнены три сквозных канала. Первый сквозной вертикальный канал 2 в центральной части ячейки предназначен

для введения вспомогательного электрода 3 Канал 4 служит для введения электрода 5 сравнения. Подвод электролита осуществляется через канал б, а отвод - через отверстие 7, выполненное в канале 2, и канал 8.

Все три канала 2, 4, б у основания соединяются и заканчиваются выходным отверстием 9 ячейки, которое, приводится в контакт с исследуемым образцом 10 (рабочим электродом). Самостоятельная цепь для измерения потенциала создается с помощью канала А, в который вводится электрод 5 сравнения. Канал б подводится симметрично канапу4 непосредственно к поверхности образца 10 под тем же углом к каналу 2 с

тем, чтобы обеспечить полный отвод продуктов реакции от поверхности исследуемого образца. Причем каналы 4 и б идентичны, так как расположены симметрично относительно центрального канала 2. Каналы 4 и 6

могут и плавно переходить в канал 2. Уровень отвода канала 8 может быть произвольным и определяется только расходом электролита, а также уровнем расположения носика электрода 5 сравнения и вспомогательным электродом 3. Площадь, исследуемая на образце 10, определяется отверстием 9 в ячейке.

Устройство работает следующим образом.

Электрохимическую ячейку и исследуемый образец помещают в зажим (не показан), Электрод 5сравнения, вспомогательный электрод 3 и рабочий электрод (образец 10) подключают к соответствующим клеммам потенциометра или другого электрохимического прибора, позволяющего работать в трехэлектродной системе. К каналу б присоединяется сосуд с рабочим раствором, который, протекая по канапу 6, выводится через отверстие 7 по каналу 8, Расстояние между вспомогательным электродом 3 и рабочим электродом 10 можно регулировать, передвигая вспомогательный

электрод 3 по каналу 2.

Описанная ячейка для электрохимических измерений применялась для определения толщины слоев продуктов коррозии и многослойных покрытий таких, как например, серебро-хром, нанесенных на квар- цевую подложку. В качестве рабочего раствора использовался 1 М NaNOs. Толщина измеряемых покрытий составляла для серебра - 8000 А, для хрома - 250 А. Растворение контролировалось с помощью микроскопа МБС-9 при увеличении 57х и 100х, Диаметр отверстия в ячейке, определяющий площадь растворения, составлял 0,7 мм.

В такой ячейке поток проточного злект- ролита подходит к самой поверхности образца, обеспечивая полную очистку поверхности от продуктов реакции. Ячейка также представляет собой монолитную конструкцию, что значительно облегчает ее ис- пользование.

Предлагаемая ячейка действительно позволяет повысить точность измерения, так как: ячейка позволяет полностью отво- дить образующиеся продукты реакции с поверхности рабочего электрода; вспомогательный электрод расположен таким образом, что силовые линии распределены по поверхности рабочего электрода равномер- ко, что позволяет проводить равномерное растворение по всей поверхности рабочего электрода; в ячейке удовлетворены требования, предъявляемые к капилляру Луггина с целью получения максимальной точности измерения потенциала.

Электрохимическая ячейка позволяет проводить измерения с точностью 2% в то время, как на известных электрохимических ячейках максимальная точность - 10%.

Высокая точность измерений дополнительно расширяет возможности ячейки, так как позволяет определить, как видно из экспериментальных результатов, толщины тон- ких слоев. Устройство позволяет измерять толщину слоев соединений, образующихся при взаимодействии слоев, например в системе алюминий-никель определяли толщину образующихся слоев общей формулы

AlxNly, потенциалы которых очень близки, с такой же высокой точностью.

Предлагаемая прижимная ячейка для электрохимических измерений позволяет расширить круг исследуемых объектов, за счет того, что использование трехзлектрод- ной системы позволяет не только измерять толщину металлических покрытий, но и исследовать электрохимические процессы, протекающие на поверхности рабочего электрода (межкристаллитная и другие виды коррозии), за счет исследования процес- сов, протекающих в растворах. Это возможно реализовать, не изменяя конструкции устройства, а лишь только закрыв выходное отверстие 9 ячейки, а рабочий электрод поместив в канал б.

Кроме того, преимуществом предлагаемой конструкции ячейки является выполнение канала 4 (выполняющего роль капилляра Луггина) в толще ячейки (его положение закреплено). Это снимает трудности, связанные с его изготовлением м эксплуатацией. Такая конструкция позволяет делать диаметр канала различным в зависимости от проводимого Эксперимента, в частности, уменьшение диаметра позволяет улучшить точность измерения (диаметр канала ограничивается увеличением сопротивления электролита внутри тонкого капилляра).

Формула изобретения

Прижимная ячейка для электрохимических измерений, включающая корпус с выполненным в его центральной части сквозным каналом, в котором размещен вспомогательный электрод, и канал для отвода рабочего раствора, отличающая- с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения круга анализируемых объектов, в корпусе дополнительно выполнены два сквозных канала, выходные отверстия которых совмещены с выходным отверстием канала для вспомогательного электрода, причем в одном из дополнительных каналов расположен электрод сравнения, а канал для отвода рабочего раствора выполнен в верхней части ячейки и соединен с каналом для вспомогательного электрода.

4

1 Ь

Использование; проведение электрохимических измерений на исследуемых образцах, в частности, определение толщины металлических м других электропроводяа их покрытий, Сущность изобретения: в ячейке для злектрохммических измерений, содержащей корпус, в котором выполнены первый сквозной вертикальный канал, один конец которого является рабочим отверстием ячейки, второй сквозной канал, в котором размещен электрод сравнения, третий сквозной канал, вспомогательный электрод и четвертый канал для отвода электролита, отходящий от первого сквозного канала и перпендикулярно ему, второй и третий каналы соединены с первым сквозным каналом у его основания таким образом, что рабочее отверстие ячейки является одновременно и выходным отверстием обоих упомянутых каналов, а вспомогательный электрод размещен внутри первого сквозного канала. 2 ил.

(риг. i

Фиг. 2