平整、多元、交織射流電沉積形態(tài)控制技術(shù)的基礎(chǔ)研究.pdf

1、射流電沉積具有可用電流密度大、電流效率高、金屬結(jié)晶細(xì)化和沉積層致密等優(yōu)點(diǎn)，使沉積速率提高幾十倍至上百倍，為快速制備納米晶純金屬、合金、復(fù)合沉積層開辟了一條全新的途徑，但高電流密度分布下晶粒結(jié)晶的不穩(wěn)定性，使沉積表面容易產(chǎn)生積瘤、枝晶等缺陷，表面平整性極易惡化，并成為限制該項技術(shù)發(fā)展的瓶頸。形態(tài)控制是材料制備過程中的一項重要內(nèi)容，本文提出一種利用特殊的工藝手段和引導(dǎo)流場的變化對射流電沉積的生長形態(tài)進(jìn)行控制的新方法，以解決現(xiàn)有射流電沉積技術(shù)

2、存在的問題，并探索射流電沉積在各個不同領(lǐng)域應(yīng)用的新方向。首先通過將機(jī)械研磨引入到射流電沉積中，發(fā)展出一種新穎的研磨射流電沉積技術(shù)，這種技術(shù)可以改變電沉積的生長形態(tài)，有效抑制積瘤、枝晶等缺陷的產(chǎn)生，獲得平整的納米晶沉積層：其次，在此基礎(chǔ)上，由單噴射單元過渡到空間陣列多噴射單元，首次提出一種多元陣列射流電沉積新技術(shù)，有望解決現(xiàn)有納米多層膜制備方法工藝過程復(fù)雜、設(shè)備昂貴等問題；最后通過促使晶體在擴(kuò)散限制動力學(xué)因素控制下生長，加速枝晶的進(jìn)化或繁

3、衍，利用流場的變化引導(dǎo)枝晶可控交織生長，探索一種實現(xiàn)電沉積形態(tài)可控生長的具體工藝機(jī)理和工藝方法。
　　 本文的主要研究工作如下：
　　 1、利用電化學(xué)測試技術(shù)進(jìn)行射流電沉積金屬鎳的行為機(jī)理研究，主要包括：利用塔菲爾曲線研究射流電沉積的動力學(xué)過程；根據(jù)線性掃描曲線分析射流電沉積陰極極化的特點(diǎn)；利用電化學(xué)循環(huán)伏安技術(shù)區(qū)分射流電沉積陰極極化的類型等。試驗結(jié)果顯示，高速射流的施加能夠顯著降低濃差極化，提高擴(kuò)散系數(shù)，減小擴(kuò)散層厚度

4、，大大提高陰極極限電流密度和電沉積的速率，同時能夠產(chǎn)生更高的電化學(xué)極化，提高晶核形成幾率，有利于獲得更為細(xì)致、高質(zhì)量的納米晶沉積層。然而，射流電沉積高電流密度分布下晶粒結(jié)晶的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致沉積表面突起的加速進(jìn)化或繁衍，特別是在射流電沉積較高的電解液交換速率下，表面突起一旦生成，就會以很高的速率快速生長，表面平整性急劇惡化，最終導(dǎo)致沉積過程無法繼續(xù)。
　　 2、研制了研磨射流電沉積、多元射流電沉積和枝晶可控生長的設(shè)備系統(tǒng)，設(shè)計和實

5、現(xiàn)了具有可行性的加工方式和工藝路線。該系統(tǒng)包括機(jī)床本體、電源控制系統(tǒng)、電解液溫度控制系統(tǒng)、電解液射流和循環(huán)系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)以及研磨射流電沉積和多元射流電沉積的沉積單元等子系統(tǒng)組成。步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、控制軟件、伺服驅(qū)動等部分，這幾部分的主要功能是控制噴嘴和陰極的運(yùn)動軌跡。
　　 3、研究分析了研磨射流電沉積中電流密度、陰極轉(zhuǎn)速、脈沖占空比和頻率等對鎳沉積層表面形貌、織構(gòu)、晶粒大小等微觀結(jié)構(gòu)和顯微硬度、耐腐蝕等性能的

6、影響，并與普通射流電沉積所制備的鎳沉積層相比較。掃描電子顯微鏡(SEM)、表面輪廓儀、X射線衍射儀(XRD)和透射電子顯微鏡(TEM)觀察和性能測試發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)粒子的連續(xù)研磨和撞擊，對沉積層表面具有顯著的除瘤和整平作用，使沉積過程中的宏觀表面始終較為平整、光滑，并能夠細(xì)化晶粒，影響晶體的生長形態(tài)，顯著改變沉積層的微觀結(jié)構(gòu)和性能，其顯微硬度和抗腐蝕性能顯著提高；磁性能發(fā)生改變，矯頑力和剩磁比均增大。同時，脈沖電沉積的應(yīng)用，使晶粒得到極大的細(xì)

7、化，沉積層的組織結(jié)構(gòu)和性能獲得更進(jìn)一步的提高。
　　 4、采用多元陣列射流電沉積的方法成功制備了納米Cu/Ni多層膜，并對不同工藝條件下多層膜的組織結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能進(jìn)行分析研究。利用SEM、XRD對其形貌和周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，研究探討Cu/Ni納米多層膜界面結(jié)構(gòu)與機(jī)械性能、耐腐性之間的關(guān)系。試驗結(jié)果表明，利用多元陣列射流電沉積可以方便地設(shè)計和制備兩種或兩種以上組分或結(jié)構(gòu)交替變化的納米多層膜，同時能夠?qū)ζ浣M分、調(diào)制波長和周期數(shù)等進(jìn)行精