第八章超聲-電脈沖沉積納米復(fù)合鍍技術(shù)

1、第八章 超聲-電脈沖沉積納米復(fù)合鍍技術(shù),隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，對金屬零件表面性能的要求越來越高。目前往往采用表面處理方法，在金屬零件表面形成一層薄膜，以獲得符合要求的表面性能。納米復(fù)合鍍技術(shù)是新近興起并得到充分重視的表面處理方法之一。,納米復(fù)合鍍技術(shù)是采用電鍍或化學(xué)鍍方法，將納米尺寸級的不溶性固體微粒（通常為陶瓷粒子）加入鍍液中，使其與基質(zhì)金屬共沉積得到復(fù)合鍍層的技術(shù)。由于納米微粒具有很多獨特的物理及化學(xué)特性，使得納米復(fù)合鍍層具有更高

2、的硬度、耐磨損性能、抗高溫氧化性能、耐腐蝕性能、電催化性能、光催化性能等優(yōu)良特性。,超聲波是頻率范圍在20～106KHz的機械波。超聲在媒質(zhì)中傳播時會產(chǎn)生聲空化和聲流等效應(yīng)，使其對于懸浮在溶液中的微小顆粒有著顯著的分散效果，并且對電化學(xué)過程也具備很多促進作用。,引言,納米復(fù)合鍍技術(shù)是極有前途的表面處理技術(shù)之一，國內(nèi)外目前在這方面的研究尚未系統(tǒng)和完善，一些關(guān)鍵性問題仍然沒有解決，其中納米微粒在鍍液和鍍層中的分散是最棘手的難題。這無疑將使鍍

3、層的性能受到影響，使得納米復(fù)合鍍技術(shù)的優(yōu)勢不能得到充分發(fā)揮。因此，研究更加高效、實用的納米復(fù)合鍍層制備方法是十分必要的，這不僅能在實際應(yīng)用中產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益，而且對納米科學(xué)技術(shù)的進一步發(fā)展與應(yīng)用也具有一定的學(xué)術(shù)價值。,,納米復(fù)合鍍技術(shù)的現(xiàn)狀,實驗材料與制備工藝,實驗基體材料選用尺寸30×20×1mm的20#鋼 板。納米SiC粒子為外購，粒徑為30~50nm，純度99.9%。電鍍陽極材料選用純度99.9%，尺寸50&

4、#215;40×3mm的電解鎳板。,實驗試劑包括硫酸鎳，氯化鎳，硼酸，OP乳化劑，十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），糖精鈉，乙二胺四乙酸（EDTA）。,納米復(fù)合鍍基本原理,鍍液的配制和納米粒子的分散過程,1）取去離子水，將NiSO4·6H2O、NiCl2·H2O、H3BO3、光亮劑四種固體藥品用天平稱取需要的量后依次加入，加熱并攪拌使其完全溶解；,2）用天平稱取適量潤濕劑，加入去離子水，充分攪拌使其溶解，然

5、后加入到基礎(chǔ)鍍液中；,3）用天平稱取適量納米SiC粒子，與適量表面活性劑混合，加入去離子水，攪拌均勻后外加超聲進行分散，超聲功率300W，分散時間20min；,4）將納米SiC粒子的懸浮液加入到基礎(chǔ)鍍液中，加入去離子水至，混合均勻后外加超聲進行二次分散，超聲功率300W，分散時間40min；,5）調(diào)整溶液PH值至適當(dāng)大小 。,1.陰極（試樣）2.陽極（鎳板）3.電源4.鍍液5.鍍槽6.支撐網(wǎng)7.水8.超聲波清洗機,實驗裝置

6、,實驗工藝流程,納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu),,直流電沉積和脈沖電沉積制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的XRD圖譜比較,不同電沉積方式對Ni-SiC納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響,超聲對Ni-SiC納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響,,超聲-電沉積和無超聲電沉積制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的XRD圖譜比較,超聲功率對復(fù)合鍍層組織形貌的影響,,無超聲電沉積方法制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,表面形貌

7、 顯微組織,超聲-電沉積方法(超聲功率適中)制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,表面形貌 顯微組織,超聲-電沉積方法(超聲功率過大)制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,表面形貌 顯微組織,納米粒子加入量對復(fù)合鍍層組織形貌的影響,2g/L,6g/L,,納米粒子加入量不同時制備得到

8、Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,8g/L,12g/L,,納米粒子加入量不同時制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,表面活性劑種類對復(fù)合鍍層組織形貌的影響,非離子表面活性劑,陽離子表面活性劑,,采用不同表面活性劑時制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,非離子和陽離子表面活性劑 共同作用,,復(fù)合鍍層HREM照片,,*30000 *48000,復(fù)合鍍層的性能

9、,不同鍍層的顯微硬度測量值比較,,復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能,不同鍍層的磨擦磨損試驗?zāi)p量測量值比較,,不同鍍層與基體間的結(jié)合力比較,復(fù)合鍍層與基體間的結(jié)合力,,納米SiC粒子加入量對鍍層性能的影響,,,其他工藝條件不變的情況下，復(fù)合鍍層性能隨SiC納米粒子加入量的變化曲線,顯微硬度變化曲線,摩擦磨損量變化曲線,陰極電流密度對鍍層性能的影響,,其他工藝條件不變的情況下，復(fù)合鍍層性能隨陰極平均電流密度的變化曲線,顯微硬度變化曲線,摩擦磨損量變

10、化曲線,超聲功率對鍍層性能的影響,,其他工藝條件不變的情況下，復(fù)合鍍層性能隨超聲功率的變化曲線,顯微硬度變化曲線,摩擦磨損量變化曲線,技術(shù)特點,,1）采用超聲-脈沖電沉積法可以獲取高質(zhì)量Ni-SiC納米復(fù)合鍍層；SiC納米微粒在鍍層表面和微觀組織中都呈均勻彌散分布，幾乎沒有出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，但超聲功率過大時可能引起納米粒子的輕度團聚；復(fù)合鍍層中鎳晶粒比常規(guī)電沉積方法得到的鍍層更加細化，達到了納米尺寸級，而其取向也由單一取向趨于隨機取向。,2

11、）在應(yīng)用超聲-脈沖電沉積法制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層時，采用非離子和陽離子表面活性劑共同作用比單獨采用一種表面活性劑對共沉積過程有更好的促進作用，能夠得到納米粒子更為密集，且分布更加彌散均勻的復(fù)合鍍層。,3）超聲-脈沖電沉積法制備得到的Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的耐磨性、硬度均優(yōu)于常規(guī)電沉積方法制備的鍍層，且結(jié)合力與常規(guī)鍍層相比沒有降低。,4）超聲電沉積方法是制備Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的一種有效方法。,脈沖電源占空比對鍍層性能的影響,

12、,其他工藝條件不變的情況下，復(fù)合鍍層性能隨脈沖電源占空比的變化曲線,顯微硬度變化曲線,摩擦磨損量變化曲線,微粒和基質(zhì)金屬的復(fù)合共沉積直接影響到生成復(fù)合鍍層的質(zhì)量和性能。微粒的表面性質(zhì)和分散狀態(tài)、鍍液組成及施鍍工藝條件都會影響到微粒的復(fù)合共沉積。,影響復(fù)合共沉積的主要工藝因素,1）電流密度,在復(fù)合鍍中，隨著電流密度的增大，對不同分散體系分散粒子的共沉積量變化情況并不一樣。粒子與陰極間的親和力較強，分散粒子的共沉積量就隨電流密度的增加而增加

13、，如果分散粒子與陰極間的親和力較弱，其共沉積量就隨電流的增加而減少,2）分散粒子含量,鍍液中分散粒子的含量越高，到達陰極表面的分散粒子也越多，鍍層中分散粒子的含量也隨之增加。含量超過一定值后，就趨向一個穩(wěn)定狀態(tài)，但過多的含量會影響主體金屬的沉積。,3）表面活性劑,粒子的表面狀態(tài)對共沉積效果和鍍層質(zhì)量有著很大的影響。粒子表面的潤濕性、荷電狀態(tài)及在電極處與基質(zhì)金屬的親和性，直接影響粒子共沉積的能力。添加適量的表面活性劑可以改善顆粒潤濕性和表

14、面電荷的極性，是納米顆粒有利于向陰極遷移傳遞和被陰極表面俘獲。表面活性劑的加入可提高納米顆粒在鍍層中的含量，并改善復(fù)合鍍層的表面形貌。但在某些情況下，活性劑影響較為微弱；同時某些活性劑的加入在提高鍍層表面質(zhì)量的同時，會降低鍍層沉積速率。因此，應(yīng)針對具體情況使用合適的表面活性劑。,4） 攪拌,攪拌速度、陰極振動或轉(zhuǎn)旋的速度均對分散粒子共沉積量有較大影響。一般地，提高攪拌速度，分散粒子沖擊鍍層的概率增加，并可使未懸的粒子懸浮起來，從而提高了

15、鍍液中分散粒子的濃度，因而共沉積量增加；但另一方面，提高攪拌速度又使懸浮粒子動能增加，吸附在陰極上的難度增大，成為不利于共沉積的因素。因此在復(fù)合電沉積過程中，攪拌速度需要控制在一個合理的范圍內(nèi)。,5）溫度,溫度對不同的復(fù)合電沉積體系的影響不完全一樣，尚無統(tǒng)一的理論給予解釋。Cr/SiC體系的顆粒共析量隨溫度升高而增加；但在Cu/Al2O3體系中，低電流密度區(qū)顆粒共析量隨溫度升高而減少，在高電流密度區(qū)又隨溫度升高而增加。,6）pH值,目前

16、，在pH值對于復(fù)合共沉積的影響上尚無統(tǒng)一認識。實驗工作表明，在一些體系如Ni-Al2O3和Ni/SiC等中，pH值在小于2的范圍內(nèi)變化時，顆粒共析量急劇下降，Ni還原的電流效率也明顯降低；而pH在大于2的范圍內(nèi)變化時，對共沉積影響不大。對于同樣的體系，也有研究者認為在不同的電流密度區(qū)，pH的變化趨勢對顆粒共析量沒有影響。pH的變化不僅關(guān)系到顆粒表面狀態(tài)的改變，也可能涉及到金屬離子沉積電位的變化，在不同電流密度區(qū)的金屬沉積速度、顆粒包埋速

17、度甚至電化學(xué)反應(yīng)機理都有可能因此而改變，加上流體力學(xué)因素，導(dǎo)致對共沉積結(jié)果的影響復(fù)雜化。,7） 其它電解條件,其它因素對復(fù)合電沉積行為也會產(chǎn)生影響。比如對顆粒的前處理，將Al2O3顆粒酸洗會大大降低其與Ni的共沉積量和沉積速度。制作n-ZnO的過程中，將其前驅(qū)體堿洗比用蒸餾水清洗能更有效地提高顆粒的ξ電位和分散性。 此外，微納米顆粒濃度、類型與幾何形狀均有可能影響到它在電極表面的吸附量及吸附強度，進而對顆粒沉積速度和共析量產(chǎn)生影響。鍍液