鎳基納米復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展

1、鎳基納米復(fù)合鍍層的研究進(jìn)展前言復(fù)合電鍍是基質(zhì)金屬與懸浮在鍍液中的非水溶性固體微粒共同沉積而形成鍍層的一種 工藝，所得鍍層稱為復(fù)合鍍層，其同時具有基質(zhì)金屬和固體微粒的綜合性能。與普通鍍層相 比，復(fù)合鍍層具有更好的耐磨性和耐蝕性。納米微粒具有小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面 效應(yīng)以及量子隧道效應(yīng)等特性,將其引入復(fù)合鍍層中所形成的納米復(fù)合鍍層呈現(xiàn)出獨(dú)特的性 能。木文綜述了欽慕納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀。1納米復(fù)合鍍層的機(jī)理研究1.1復(fù)合鍍層的沉積機(jī)理關(guān)于復(fù)介鍍層沉積機(jī)理的研究，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)提出過多種不同的觀點(diǎn)。i些學(xué) 者認(rèn)為：力學(xué)因素占主導(dǎo)作川，同時陰極電流密度和鍍液的微觀分散能力也是影響復(fù)合鍍層

2、形成的主要原因。通過攪拌使鍍液中的微粒很好地懸浮起來，給微粒為陰極的相互接觸創(chuàng)造條件，而當(dāng) 微粒停留在陰極衣面上時，就有可能被沉積的金屬嵌入鍍層中。另外-些學(xué)者認(rèn)為：微粒在電場作用下的電泳速率是微粒進(jìn)入復(fù)合鍍層的關(guān)鍵因素。 盡管微粒的電泳速率要比攪拌所引起的微粒隨液流的遷移速率小得多，但在微粒到達(dá)陰極界 面的分散雙電層后，由于電位差的作川，在界面間將會產(chǎn)生極高的場強(qiáng)，電泳速率可以變得 比較大。微粒以垂市于電極衣面的方向沖向陰極，并被金屬嵌入鍍層中。guglielmi的兩步吸附理論認(rèn)為：微粒與金展共沉積時，表血帶有吸附離子層的微粒首 先吸附在陰極表面，此時微粒表面仍被吸附離子層所包圍；隨著部分弱

3、吸附在陰極表面的 吸附層被還原，微粒陰極發(fā)牛強(qiáng)吸附而進(jìn)入鍍層，伴隨金屬電沉積的進(jìn)行，處于強(qiáng)吸附狀 態(tài)的微粒被金屬永久地嵌入鍍層中。山于沉積過程本身是一系列反應(yīng)鏈相互作用的結(jié)果，反應(yīng)過程中許多中間態(tài)離子的壽 命短，難以檢測，所以沉積機(jī)理尚無完善的理論解釋。綜合上述機(jī)理分析，復(fù)合鍍層的形成 大致可分為三個階段：（1）懸浮于鍍液中的微粒向陰極表面附近輸送；（2）微粒黏附于陰極表面；（3）微粒被陰 極上析出的基質(zhì)金屬牢固地嵌入鍍層中。1.2納米復(fù)合鍍層的強(qiáng)化機(jī)理采用x射線衍射儀和透射電鏡對幾種傑基納米復(fù)合刷鍍層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，證實(shí) 其強(qiáng)化機(jī)理是超細(xì)晶強(qiáng)化、高密度位錯強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和納米微粒效應(yīng)強(qiáng)化

4、共同作用的結(jié)果。刷鍍時，工件局部有比槽鍍大幾倍到幾十倍的電流密度，這種大電流密度使過電位和 雙電層的電場強(qiáng)度很高，離子在電場中被加速打到被鍍表而，形成了人量的超細(xì)晶核。鍍筆 與工件之間的相對運(yùn)動影響鍍層金屬的形核過程，使鍍層晶粒細(xì)化。鍍液是有機(jī)配位物的水 溶液，金屬離子以配位離子的形式存在，提髙了陰極極化作用。這些均是獲得超細(xì)晶粒的主 要原因。超細(xì)晶粒使鍍層單位體積內(nèi)的晶界增多，形變抗力增大，、鍍層得以強(qiáng)化。人量位錯運(yùn)動雖是造成晶體滑動變形的主要原因，但較高的位錯密度反而能降低晶體 的易動性。電刷鍍過程中扁度的不平衡電結(jié)晶過程在鍍層中形成了高密度的位錯纏繞和李晶, 使鍍層形變抗力增大，鍍層得以

5、強(qiáng)化。對謀一鉆一磚合金鍍層而言，xrd譜圖中得到的僅是單相碌的晶體結(jié)構(gòu)，這表明鉤、鉆 等成分已固溶于銀基體中。山于鵠、鉆與線的原子尺寸差異引起固溶體晶體點(diǎn)陣的畸變，有 效阻止了位錯運(yùn)動，因而固溶強(qiáng)化使鍍層的性能得以增強(qiáng)。當(dāng)納米微粒彌散在鍍層屮時，不僅對鍍層起到了支撐作川，而h這些碩質(zhì)點(diǎn)對提髙鍍 層的耐磨性極為有利;其次，嵌入基質(zhì)金屬鍍層的納米微粒增加了鍍層中的位錯阻力，阻止 了晶體的滑移，使鍍層的形變抗力增大，鍍層得以強(qiáng)化。這就是所謂的納米微粒效應(yīng)強(qiáng)化。納米微粒對鍍層的強(qiáng)化機(jī)理尚不完善，述有待進(jìn)一步的研究。2納米微粒在鍍液中的分散納米微粒在鍍液中的分散程度對鍍層中納米微粒均勻分布有重要的影響。

6、納米微粒的 比表而積人，表而能高，使其表而處于極不穩(wěn)定狀態(tài)。為了降低表而能，納米微粒往往通過 相互聚集而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。以團(tuán)聚體存在的納米微粒會火去其原有的納米微粒效應(yīng)，因此, 首先要使納米微粒呈單分散態(tài)均勻且穩(wěn)定地分散在鍍液中，才有町能得到高質(zhì)竄的納米復(fù)合 鍍層。h前納米微粒的分散方法丄要分為物理法和化學(xué)法。由于不同粒徑和種類的納米微粒其分散性不同，在制備納米復(fù)合鍍層的過程中，往往同吋采用兒種分散方法。王為等以高分子聚電解質(zhì)為分散劑，在鍍鐮液中實(shí)現(xiàn)了納米2t02微粒的唯分散，并在 此納米復(fù)合鍍鎳液中制備出單分散ni-2r02納米復(fù)合鍍層。wang j l等在普通碳鋼表面制 備了 ni-w-p-

7、ce02 -si02納米復(fù)合鍍層，研究了機(jī)械攪拌對納米復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)及性能的 影響。結(jié)果表明：當(dāng)機(jī)械攪拌速率為1 000 r/min時，納米復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)致密，基質(zhì)金屬 輪廓清晰，晶粒較細(xì)，納米微粒以彌散態(tài)均勻分布在基質(zhì)金屬中，且鍍層的沉積速率(32. 68 ym/h)和顯微硬度(6 820 mpa)高。孫玉利等研究了超聲波分散時間、表血活性劑種類及其 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對納米a12 03微粒在水相介質(zhì)中分散性能的影響。結(jié)果表明：隨著超聲波分散時間的延長和分散劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米a1203微粒的分散性均出現(xiàn)先增加后降 低的變化規(guī)律，且對丁每一種分散劑均存在最佳超聲波分散時間和最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。3鐮基納

8、米復(fù)合鍍層的分類及其研究現(xiàn)狀傑基納米復(fù)合鍍層按功能可分為：耐磨鍍層、自潤滑鍍層、耐高溫鍍層以及耐蝕鍍層 等。3. 1耐磨鍍層鍍層的耐磨性通常與便度直接相關(guān)，破度越高，耐燃性越好。將破度較高的納米微粒(如 sic, a12 03,金剛石等)欽基金屬鍍液制成各種納米復(fù)合鍍層，納米微粒彌散分布在基體中對有效細(xì)化展質(zhì)金屬品粒,提高妹質(zhì)金屬的硬度，從血使納米復(fù)合鍍層具有錢高的耐磨性。gyftou籌在鍍銀液中分別加入微米sic微粒和納米sic微粒，制得ni-sic復(fù)合鍍層， 并對復(fù)合鍍層的力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試。結(jié)果表明：sic微粒的加入提高了鍍層的硬 度和耐磨性，細(xì)化了鍍層晶粒;対比之下，納米sic

9、微粒對于鍍層性能的影響更加顯著。市于納米a12 03微粒具有硬度高、價格低以及為銀的親和性好等特點(diǎn)，使其在復(fù)合電 刷鍍技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。研究表明：納米a12 03復(fù)合刷鍍層具有硬度高、耐高溫以 及耐磨等性能。國內(nèi)有些學(xué)者用電鍍的方法制備了含納米金剛石粉的復(fù)合鍍銀層，與不含納米金剛石 粉的普通鍍鐮層相比，其駛度增加了一倍以上，耐磨性能明顯提高。陳小華等制備出的鐮基碳納米筲復(fù)合鍍層，可以顯著改善金屬表面的耐磨性能。sem 分析結(jié)果表明：碳納米管的一端嵌入銀基體中，另一端暴露于基體鍍層z外，可以對基體起 到保護(hù)作用。山于碳納米管具有強(qiáng)度高、韌性及自潤滑性能好等特點(diǎn)，剝落的碳納米管覆蓋 在材料的

10、磨損表曲，能起到降低磨損率的作川。3.2白潤滑鍍層在鍍液中加入具有較低硬度和良好自潤滑性能的納米微粒（如mos2,ptfe,碳納米管等）, 與基質(zhì)金屬共沉積可以獲得口潤滑性能良好的納米復(fù)合鍍層。這種鍍層的摩擦系數(shù)很低，在 軸承、汽缸、齒輪等部件上應(yīng)用十分廣泛。周細(xì)應(yīng)等利用電刷鍍技術(shù)制備了 ni-ptfe納米復(fù)合鍍層，并對鍍層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀 察。結(jié)果表明：納米ptfe的加入可明顯細(xì)化復(fù)合鍍層的晶粒，ii以微粒狀態(tài)彌散于鍍層中。 楊玲玲等以45#鋼為基體，采用化學(xué)鍍的方法分別制備了 ni-p-mos2和nip_ cafz兩種納 米復(fù)合鍍層，并對兩種鍍層的白潤滑性能進(jìn)行測試。結(jié)果表明：常溫下兩種納

11、米復(fù)合鍍層的 自潤滑性能均優(yōu)于未添加納米微粒的純鍵鍍層的，h. ni-p-mos2納米復(fù)合鍍層的自潤滑性能 優(yōu)于ni-p- caf2納米復(fù)合鍍層的。3. 3耐高溫鍍層將納米陶瓷微粒(如si02, zroz, al2 03 )應(yīng)用于復(fù)合鍍層中能有效地提高鍍層的耐 高溫性能，與微米微粒復(fù)合鍍層和比，納米微粒的加入口j顯著改善鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，提高鍍 層的耐高溫性能。姚素薇等對ni-w合金鍍層及ni-w-zez納米復(fù)合鍍層的耐高溫性能進(jìn)行分析。結(jié)果表 明：納米復(fù)合鍍層的氧化增重量僅為合金鍍層的1/2,其高溫?zé)岱€(wěn)定性較ni7合金鍍層的 提高了 39 °c o徐龍?zhí)玫扔秒娝㈠兊姆椒ㄖ苽淞?ni-

12、alz03納米復(fù)合刷鍍層，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層的使用溫 度可達(dá)400°c,此時的維氏硬度為6 470 mpa,磨痕深度僅為相同溫度下快速鍍篠層的1/4, 表現(xiàn)出了良好的高溫硬度和耐磨性能。另外，研究表明：納米la2 03微粒的加入可使銀基鍍層的晶粒明顯細(xì)化，且該鍍層的 耐高溫性能比純銀基鍍層的高得多。3. 4耐蝕鍍層吳少駒在快速鍍傑液的基礎(chǔ)上，通過添加納米cr2 03微粒制備了 ni-cr2 03納米復(fù)合 鍍層，并測試了鍍層的顯微偵度、耐蝕性與極化曲線。結(jié)果表明：加入納米cr2 03微粒后， 鍍層的駛度和耐蝕性均有所提高o梁平采用電刷鍍技術(shù)制備了 ni-p合金鍍層和ni-p-sic納米復(fù)合鍍層。結(jié)果表明：納 米sic微粒的加入影響鍍層的沉積和牛長過程，制得的納米復(fù)合鍍層比ni-p合金鍍層更加 平整、光消、致密，鍍層表而的微裂紋數(shù)量明顯減少，耐蝕性得到顯著增強(qiáng)。周蘇閩等采川化學(xué)鍍的方法，使川季錢鹽類陽離子型表而活性劑和酚醛類非離子型表 而活性劑制得了納米微粒分散良好的ni-p-ceoz納米復(fù)合鍍層，該鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的 nacl溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的h。s氣