鎂合金負(fù)載納米TiO-,2-復(fù)合鍍層及性能研究.pdf

1、被認(rèn)為是21世紀(jì)最富于開發(fā)、研究和應(yīng)用潛力的“綠色材料”Mg及其合金具有密度輕，比強(qiáng)度和比剛度高，減震性能和鑄造性能好，以及具有很強(qiáng)的屏蔽電磁干擾的性能，且是很容易回收的材料，因此越來越受到世界各國的重視，在航空航天、汽車制造、3C等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用。 目前鎂合金產(chǎn)品中，鑄造鎂合金產(chǎn)品用量大于變形鎂合金，但經(jīng)變形的鎂合金材料可獲得更高的強(qiáng)度，更好的延展性及更多樣化的力學(xué)性能，可以滿足不同場合結(jié)構(gòu)件的使用要求。因此，開發(fā)變形合金

2、，是其未來更長遠(yuǎn)的發(fā)展趨勢。 但是鎂的化學(xué)性質(zhì)十分活潑，標(biāo)準(zhǔn)電極電位很低，耐蝕性很差，即使在室溫下也會(huì)與空氣發(fā)生氧化，對(duì)于鎂合金電子產(chǎn)品和生物醫(yī)療器械產(chǎn)品，體液腐蝕和生物腐蝕也顯得十分明顯。而且鎂合金等產(chǎn)品表面也會(huì)孳生和傳播病菌、病毒和其他微生物。對(duì)人們的身體健康造成威脅，因此人們對(duì)電器、日常制品、醫(yī)院設(shè)施、食品加工場所的材料抗菌性能要求越來越強(qiáng)烈。故急需一種既能提高鎂合金表面耐腐蝕性能，又具有良好自潔凈功能的表面處理方法。

3、 TiO<,2>作為一種弱的n型半導(dǎo)體材料，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和光催化活性，能夠降解有機(jī)物，實(shí)現(xiàn)清潔除污、殺菌除臭等功能。為了解決上述問題，考慮采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法，選擇生產(chǎn)生活中應(yīng)用最廣的AZ系鎂合金作為載體負(fù)載納米TiO<,2>復(fù)合鍍層，以達(dá)到使鎂合金產(chǎn)品既耐蝕，又抗菌殺菌，擴(kuò)大鎂合金的用途。 本文用正交實(shí)驗(yàn)的方法確定了AZ系鎂合金負(fù)載納米TiO<,2>復(fù)合鍍層的最佳工藝配方，探討了AZ系鎂合金的成分、工藝參數(shù)等對(duì)復(fù)合

4、鍍的影響，測試了復(fù)合鍍層與基體的結(jié)合力、顯微硬度、耐蝕性等，采用SEM、TEM、XRD和EDS對(duì)復(fù)合鍍層的形貌、成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析，對(duì)復(fù)合鍍層的初始沉積機(jī)理進(jìn)行了探討，并對(duì)復(fù)合鍍層的光催化活性和抗菌殺菌性能進(jìn)行了研究。 在復(fù)合鍍過程中，鍍液成分繁多、施鍍參數(shù)復(fù)雜，綜合說來主鹽、還原劑、絡(luò)合劑、溫度、攪拌速度和pH值對(duì)化學(xué)鍍過程的影響最為重要，而這種影響主要體現(xiàn)在鍍液穩(wěn)定性、沉積速率及納米顆粒的均勻分布上。實(shí)驗(yàn)表明：(1)溫

5、度和攪拌速度對(duì)鍍液中納米顆粒分散的影響很大，溫度升高時(shí)，沉積速度加快，對(duì)納米TiO<,2>顆粒的分散和懸浮越有利，但溫度過高，鍍液的穩(wěn)定性就會(huì)降低；適當(dāng)攪拌可提高納米TiO<,2>顆粒在鍍液中的有效懸浮，但攪拌速度過快時(shí)，顆粒的沖刷和刮磨作用加劇。本文研究認(rèn)為：施鍍溫度宜選擇在87～93℃，攪拌速度小于400r/min較為合適。(2)納米TiO<,2>添加量會(huì)影響其在鍍層中的含量和復(fù)合鍍層的性能，研究認(rèn)為：TiO<,2>的添加量范圍在3

6、～9g/L較為合適，若不加攪拌時(shí)5g/L的添加量較佳，若增加攪拌，添加量為9g/L時(shí)較佳。(3)鍍層表面往往存在有少量孔隙，因此要采取一定的措施進(jìn)行封孔處理。實(shí)驗(yàn)表明采用TiO<,2>-SiO<,2>溶膠-凝膠法+400℃熱處理、TiO<,2>溶膠電泳法+400℃熱處理、二次復(fù)合鍍法封孔后的孔隙率較低，且不影響鍍層的性能。室溫下Ni-P+TiO<,2>復(fù)合鍍層由非晶和少量晶體組織組成：隨熱處理溫度升高，晶體化傾向越明顯，由于納米TiO<

7、,2>顆粒對(duì)基體元素遷移的阻礙，增強(qiáng)了鍍層抗局部變形能力，強(qiáng)化了Ni-P合金基體的緣故，相對(duì)Ni-P鍍層來說，Ni<,3>P析出溫度提升到400℃左右。經(jīng)過400℃熱處理后，復(fù)合鍍層顯微硬度可高達(dá)HV800以上。因此納米復(fù)合鍍層可以更好地增強(qiáng)鎂合金的耐磨性。 納米復(fù)合鍍層顯著提升了鎂合金基體的電極電位，銼刀試驗(yàn)和熱震試驗(yàn)證明復(fù)合鍍層與基體的結(jié)合良好，可以有效阻隔基體與外界環(huán)境的接觸，鍍層中的納米微粒還可降低Ni-P鍍層的孔隙率，

8、提高鍍層的致密性，使鎂合金的耐腐蝕性能提高。 納米TiO<,2>復(fù)合鍍層具有明顯的光催化性能，在一定時(shí)間的自然光照條件下，能夠使亞甲基藍(lán)溶液氧化褪色。對(duì)金黃色葡萄球菌ATCC25923、大腸埃希菌ATCC25922進(jìn)行的抗菌殺菌實(shí)驗(yàn)表明，以Ni-P鍍層樣品為對(duì)照，Ni-P+TiO<,2>復(fù)合鍍層對(duì)金黃色葡萄球菌ATCC25923和大腸埃希氏菌ATCC 25922的抗菌率分別達(dá)到了99.2％和100％，能夠起到有效的抗菌殺菌效果。

9、 對(duì)AZ系鎂合金納米復(fù)合鍍的研究表明：由于合金中β(Mg<,17>Al<,12)相和α(Mg)相存在電位差，在鍍液中會(huì)形成微型原電池，α(Mg)相中Mg失去的電子轉(zhuǎn)移到β(Mg<,17>Al<,12>)相上，電吸引鍍液中的Ni<'2+>遷移到晶界附近并得到電子被還原，從而最先沉積在晶界附近。在隨后的沉積過程中，一方面最先沉積的Ni具有自催化作用，另一方面除了β(Mg<,17>Al<,12>)相和α(Mg)相之間形成微型原電池外，

10、初始沉積出的Ni也會(huì)與α(Mg)相和β(Mg<,17>Al<,12>)相之間形成了微型原電池，這些都導(dǎo)致了形核率的增加，促進(jìn)Ni的沉積。當(dāng)施鍍50秒鐘左右，基體表面已完全被Ni-P合金覆蓋，此時(shí)的沉積則完全是由Ni的自催化活性起作用的。所以，初始沉積機(jī)理分三個(gè)階段：最先是電化學(xué)機(jī)制沉積機(jī)理，然后是次磷酸鹽的還原作用機(jī)制和電化學(xué)機(jī)制并存。等表面被Ni全部覆蓋后則完全轉(zhuǎn)為次磷酸鹽的還原作用機(jī)制。而納米TiO<,2>在施鍍過程中則總是隨機(jī)沉積