Изготовление антенн методом электрохимического травления

 Потребность в антеннах у меня возникла во время сборки модели меркавы IV 1/35 от Академии. На башне присутствует 6 антенных вводов и ни одной антенны в наборе. Судя по фотографиям, все 6 антенн монтируются на танки только на выставках и парадах, но всё-таки как минимум две всё равно нужны. Из фотографий следует, что речь идёт об антенне AS-1729, или очень внешне на неё похожей. Собственно, основная проблема заключается в изготовлении мачты этой антенны. Мачта состоит из двух визуально одинаковых по длине частей, которые свинчиваются между собой. При этом, нижняя часть вроде бы просто цилиндрическая, а верхняя – конус. Общая длина мачты – 3,25 м.

Соответственно, перед моделистом стоит задача изготовить прямой тонкий стержень длиной 93 мм, верхняя половина которого равномерно сужается к концу. Тянутый литник меня не устраивал потому, что его сложно сделать равномерно сужающимся. К тому же, тянутый литник – это аморфная структура с внутренними напряжениями (потому что он тянутый и из полистирола) и никто не знает, как его поведёт со временем. Кошачьи усы не бывают прямыми, да и не всякий моделист имеет в хозяйстве кота.

В конечном счёте, делал я эту мачту вот как:

Идея заключается в том, чтобы травить электрическим током проволоку, при чём делать это так, чтобы ток в том месте проволоки, где требуется меньшая толщина – был больше. Такого распределения тока можно добиться, если разместить в электролите протяженный электрод вдоль заготовки на разном расстоянии от неё. В моём случае, вот так:

Здесь длинная проволока – это заготовка. Принцип действия тут такой: чем больше расстояние между заготовкой и электродом, тем большую толщу электролита току нужно преодолеть, соответственно, больше сопротивление возникает между данной точкой заготовки и электродом. При равных потенциалах на поверхностях заготовки и электрода, ток получается меньше и менее интенсивно идёт травление.

Итак, для работы потребуется:

• Медная проволока толщиной, соответствующей толщине антенной мачты в масштабе (строго говоря, чуть больше), два куска. Один кусок в качестве заготовки длиной в будущую мачту, плюс хвост достаточный длины, чтобы его можно было закрепить на краю ёмкости, в которой будет происходить травление и чтобы к нему можно было бы подсоединить провод. Второй кусок проволоки длиной в половину мачты, плюс такой же хвост. Второй кусок нужен половинной длины для того, чтобы условно-нижняя часть заготовки травилась по минимуму. Впрочем, в данной реализации этого метода добиться резкого перехода от ровного цилиндра к правильному конусу всё равно к сожалению не удастся...

• Лимонная кислота. Покупал в магазине радиодеталей. Насколько мне известно, бывает и в обычных магазинах, но насколько она там чистая и насколько чистота критична для процесса – не знаю.
  

• Тестер. В принципе, тестер не обязателен, но желателен. Он нужен для контроля за происходящим.

• Источник постоянного напряжения. У меня был источник питания 12 В и ток во время работы не превышал 0,1 А. Конечно, всегда лучше иметь запас по току. Наверное, можно увеличить и напряжение, и процесс будет идти быстрее, но до каких пределов его можно увеличивать, я сказать не берусь. Кстати, 12 В с хорошими амперами (имеется в виду с хорошей силой тока., прим.редактора) можно взять из компьютера...

• Собственно, ёмкость, в которой происходит травление. Я использовал обыкновенное блюдце. ВНИМАНИЕ! Я не химик и не знаю какие реакции идут во время травления и какие яды могут в результате вырабатываться. По этому использовать для данной работы пищевую посуду неправильно, а с точки зрения Техники Безопасности – категорически запрещено!

• Провода для коммутации всего этого хозяйства в единую цепь.

• Скотч для закрепления проводов и электродов.

Пара слов про электрод: я знаю, что люди, которым приходится заниматься электролизом, любят в качестве электродов использовать графит например из батареек. Возможно в этом есть некий смысл – им виднее.

Для начала давайте оценим чего следует ожидать. Будем исходить из того, что один электрон прошедший по цепи отъедает один атом меди. Известно, что объём конуса составляет 1/3 от объёма цилиндра в который он вписан. Значит объём меди, который надо вытравить составляет в нашем случае 2/3*Pi*r^2*L, где Pi – знаменитое число Пи равное 3,1415, r – радиус проволоки 0,5 мм, L – длина той половины заготовки из которой я хочу сделать конус 45 мм. Объём получается равным 2,4E-6 м^3 (если вдруг кто не знает, обозначение «...E...» следует читать как «... умножить на 10 в степени ...»). Умножим его не плотность меди (8920 кг/м^3) и получим массу 2E-4 кг = 0,2 г. Масса одного атома меди – 63,5 (атомная масса) умножить на 1,7E-27 кг (1 а. е. м.) – равна 1E-23 кг. Разделим массу материала, который следует удалить на массу одного атома и умножим на абсолютную величину заряда электрона (1,6E-19 Кл) – получим заряд, который нужно пропустить по цепи – 319 Кл. Эта величина говорит нам о том, что: чтобы протравить 45 мм проволоки толщиной 1 мм током в 1 А до формы конуса, потребуется ~300 с = 5 мин, а при том токе, который получился у меня, ~50-100 мА, приблизительно час.

Итак, к делу! Разводим водой в отдельной ёмкости лимонную кислоту. Концентрация – наверное, чем больше – тем лучше. При большей концентрации по идее должна быть выше проводимость электролита, соответственно, больше ток и меньше требуемое время. ВНИМАНИЕ! Какой бы слабой лимонная кислота не была, это всё-таки кислота! Соблюдайте соответствующие меры предосторожности!

Если проволока изначально покрыта лаком, то его надо тщательно удалить. Все незачищенные участки очевидным образом отрицательно скажутся на конечном результате. Закрепляем на краю блюдца скотчем заготовку и электрод, как показано на фотографии выше. Закреплять их следует так, чтобы они располагались параллельно дну блюдца на высоте хотя бы одного своего диаметра. Что будет, если электрод и заготовку положить на дно, я не проверял, но думаю, что в районе контакта заготовки с дном экспериментатора будут ждать сюрпризы... 

Подсоединяем провода к электроду и заготовке. Всё в своей схеме я соединял скруткой. Ни что не запрещает использовать пайку или крокодилы. Единственное, что приличный вес крокодилов может создать проблемы при позиционировании электрода и заготовки друг относительно друга. Так или иначе, но в объёме заполненном электролитом должна присутствовать только медная проволока и ничего кроме неё! Провода настоятельно рекомендую прикрепить к столу скотчем так, чтобы шевеление свободных их концов никак не сказывалось на конструкции в блюдце. Поскольку медная проволока закрепленная с помощью скотча на полях блюдца у меня держалась не «намертво», я использовал это обстоятельство, за счёт жёсткости соединительных проводов, для тонкой настройки взаимоположения заготовки и электрода слегка перемещая по столу блюдце. Очевидно, что при этом электрод и заготовка не должны касаться друг друга. Минимальное расстояние между ними, как мне кажется, не должно быть меньше нескольких диаметров проволоки. Иначе в этом месте проволока может травиться неравномерно с разных боков, т. е. нарушится осевая симметрия изделия.

Аккуратно заливаем кислоту в блюдце так, чтобы и заготовка и электрод оказались полностью покрыты ею. При этом следует избегать попадания жидкости на скотч – отвалится.

Затем подключаем провода к источнику питания, оставив при этом в цепи разрыв в любом удобном месте. К заготовке «+», к электроду «-». Берём тестер и в режиме измерения тока включаем его в разрыв цепи. В результате получаем замкнутую цепь, в которой тестер показывает ток. При этом, на электроде должны начать выделяться пузырьки газа (что это за газ не знаю, возможно водород). В моём случае ток не превышал 100 мА. Я думаю, что при данной конфигурации не стоит ожидать ток больше ампера. Пользуясь оценками сделанными выше, по току можно определить время которое уйдёт на весь процесс. Если что-то происходит не так как здесь описано (неправдоподобно большой ток, отсутствие пузырьков на электроде и т. д.), следует тут же разомкнуть цепь и найти и исправить неполадку. Если всё идёт нормально, то можно извлечь из цепи тестер и замкнуть цепь напрямую, чтобы сберечь тестеру батарейки.

Итак, идёт процесс травления. На электроде активно выделяется газ и медленно нарастают хлопья чёрного порошка (подозреваю в нём выпавшую в осадок медь); на заготовке медленно появляется чёрный налёт, скорей всего из того же порошка, и так же медленно образуются пузырьки газа. Все эти процессы идут интенсивней на тех участках заготовки и электрода, которые находятся ближе друг к другу, что является подтверждением правильности идеи заложенной в основу метода.

Хлопья чёрного порошка норовят вырастая образовывать мостик между электродом и заготовкой, что скорей всего плохо повлияет на результат. Следовательно эти хлопья следует периодически удалять каким-нибудь диэлектрическим предметом, например кисточкой. В зависимости от получаемого результата можно менять расстояние и угол между электродом и заготовкой. ВНИМАНИЕ! В блюдце у нас находятся фактически два оголённых контакта которые могут достаточно легко коснуться друг друга. При этом образуется короткое замыкание. Вот небольшой список возможных неприятных последствий такого касания: выход из строя источника питания, выбивание пробок в электросети, пожар... Не допускайте касания электрода и заготовки при включённом питании!

Процесс контролируем визуально и прерываем при получении удовлетворительного результата. Затем извлекаем то, что получилось и промываем водой. На этой фотографии показан конечный продукт.
 
Здесь изображены сверху вниз: заготовка сразу после травления, она же после ошкуривания мелкой наждачкой, тень её же.

В заключении хочу сделать одно замечание. Дело в том, что различные электрические процессы имеют подлое свойство особо интенсивно протекать на остриях. Романтической иллюстрацией к этому свойству является такое природное явление, как огни св. Эльма. Следствием этого является то, что если даже расположить электрод параллельно заготовке, то конец заготовки всё равно начнёт заостряться. Это, в свою очередь, вносит ограничение на минимальную толщину конечного изделия у острия, поскольку вместо того, чтобы утончаться у острия, заготовка будет укорачиваться, а само остриё будет приобретать форму наконечника сверхзвуковой пули (кажется, эта форма называется оживальной). Бороться с этим явлением, наверное, можно так: нужно сделать заготовку длиннее чем изделие, которое требуется получить и «поиграть» минимальным расстоянием до электрода. Тогда в том месте заготовки, где расстояние до электрода минимально, будет образовываться утоньшение, теоретически, сколь угодно малого диаметра.