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(duì)金屬零件表面性能的要求越來(lái)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(jí)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(dú)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(jī)械波。超聲在媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲空化和聲流等效應(yīng)，使其對(duì)于懸浮在溶液中的微小顆粒有著顯著的分散效果，并且對(duì)電化學(xué)過(guò)程也具備很多促進(jìn)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(guó)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(wèn)題仍然沒(méi)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(wú)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(shì)不能得到充分發(fā)揮。因此，研究更加高效、實(shí)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(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)納米科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用也具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值。,,納米復(fù)合鍍技術(shù)的現(xiàn)狀,實(shí)驗(yàn)材料與制備工藝,實(shí)驗(yàn)基體材料選用尺寸30×20×1mm的20#鋼 板。納米SiC粒子為外購(gòu)，粒徑為30~50nm，純度99.9%。電鍍陽(yáng)極材料選用純度99.9%，尺寸50&

4、#215;40×3mm的電解鎳板。,實(shí)驗(yàn)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(guò)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(rùn)濕劑，加入去離子水，充分?jǐn)嚢枋蛊淙芙猓?/p>

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(jìn)行分散，超聲功率300W，分散時(shí)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(jìn)行二次分散，超聲功率300W，分散時(shí)間40min；,5）調(diào)整溶液PH值至適當(dāng)大小 。,1.陰極（試樣）2.陽(yáng)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(jī),實(shí)驗(yàn)裝置

6、,實(shí)驗(yàn)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(duì)Ni-SiC納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響,超聲對(duì)Ni-SiC納米復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)的影響,,超聲-電沉積和無(wú)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(duì)復(fù)合鍍層組織形貌的影響,,無(wú)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(guò)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(duì)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(shí)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(shí)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(duì)復(fù)合鍍層組織形貌的影響,非離子表面活性劑,陽(yáng)離子表面活性劑,,采用不同表面活性劑時(shí)制備得到Ni-SiC納米復(fù)合鍍層的SEM照片,非離子和陽(yáng)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(cè)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(yàn)?zāi)p量測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(diǎn),,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(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，但超聲功率過(guò)大時(shí)可能引起納米粒子的輕度團(tuán)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(xì)化，達(dá)到了納米尺寸級(jí)，而其取向也由單一取向趨于隨機(jī)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(shí)，采用非離子和陽(yáng)離子表面活性劑共同作用比單獨(dú)采用一種表面活性劑對(duì)共沉積過(guò)程有更好的促進(jìn)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(méi)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(duì)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(huì)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(duì)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(qiáng)，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(dá)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(guò)一定值后，就趨向一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，但過(guò)多的含量會(huì)影響主體金屬的沉積。,3）表面活性劑,粒子的表面狀態(tài)對(duì)共沉積效果和鍍層質(zhì)量有著很大的影響。粒子表面的潤(rùn)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(rùn)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(shí)某些活性劑的加入在提高鍍層表面質(zhì)量的同時(shí)，會(huì)降低鍍層沉積速率。因此，應(yīng)針對(duì)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(dòng)或轉(zhuǎn)旋的速度均對(duì)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(lái)，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(dòng)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(guò)程中，攪拌速度需要控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)。,5）溫度,溫度對(duì)不同的復(fù)合電沉積體系的影響不完全一樣，尚無(wú)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(duì)于復(fù)合共沉積的影響上尚無(wú)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，對(duì)共沉積影響不大。對(duì)于同樣的體系，也有研究者認(rèn)為在不同的電流密度區(qū)，pH的變化趨勢(shì)對(duì)顆粒共析量沒(méi)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(jī)理都有可能因此而改變，加上流體力學(xué)因素，導(dǎo)致對(duì)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(duì)復(fù)合電沉積行為也會(huì)產(chǎn)生影響。比如對(duì)顆粒的前處理，將Al2O3顆粒酸洗會(huì)大大降低其與Ni的共沉積量和沉積速度。制作n-ZnO的過(guò)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(qiáng)度，進(jìn)而對(duì)顆粒沉積速度和共析量產(chǎn)生影響。鍍液