镍基纳米复合镀层的研究进展

1、鎳基纳米复合镀层的研究进展前言复合电镀是基质金属与悬浮在镀液中的非水溶性固体微粒共同沉积而形成镀层的一种 工艺，所得镀层称为复合镀层，其同时具有基质金属和固体微粒的综合性能。与普通镀层相 比，复合镀层具有更好的耐磨性和耐蚀性。纳米微粒具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面 效应以及量子隧道效应等特性,将其引入复合镀层中所形成的纳米复合镀层呈现出独特的性 能。木文综述了钦慕纳米复合镀层的研究现状。1纳米复合镀层的机理研究1.1复合镀层的沉积机理关于复介镀层沉积机理的研究，国内外许多学者已经提出过多种不同的观点。i些学 者认为：力学因素占主导作川，同时阴极电流密度和镀液的微观分散能力也是影响复合镀层

2、形成的主要原因。通过搅拌使镀液中的微粒很好地悬浮起来，给微粒为阴极的相互接触创造条件，而当 微粒停留在阴极衣面上时，就有可能被沉积的金属嵌入镀层中。另外-些学者认为：微粒在电场作用下的电泳速率是微粒进入复合镀层的关键因素。 尽管微粒的电泳速率要比搅拌所引起的微粒随液流的迁移速率小得多，但在微粒到达阴极界 面的分散双电层后，由于电位差的作川，在界面间将会产生极高的场强，电泳速率可以变得 比较大。微粒以垂市于电极衣面的方向冲向阴极，并被金属嵌入镀层中。guglielmi的两步吸附理论认为：微粒与金展共沉积时，表血带有吸附离子层的微粒首 先吸附在阴极表面，此时微粒表面仍被吸附离子层所包围；随着部分弱

3、吸附在阴极表面的 吸附层被还原，微粒阴极发牛强吸附而进入镀层，伴随金属电沉积的进行，处于强吸附状 态的微粒被金属永久地嵌入镀层中。山于沉积过程本身是一系列反应链相互作用的结果，反应过程中许多中间态离子的寿 命短，难以检测，所以沉积机理尚无完善的理论解释。综合上述机理分析，复合镀层的形成 大致可分为三个阶段：（1）悬浮于镀液中的微粒向阴极表面附近输送；（2）微粒黏附于阴极表面；（3）微粒被阴 极上析出的基质金属牢固地嵌入镀层中。1.2纳米复合镀层的强化机理采用x射线衍射仪和透射电镜对几种傑基纳米复合刷镀层的微观结构进行分析，证实 其强化机理是超细晶强化、高密度位错强化、固溶强化和纳米微粒效应强化

4、共同作用的结果。刷镀时，工件局部有比槽镀大几倍到几十倍的电流密度，这种大电流密度使过电位和 双电层的电场强度很高，离子在电场中被加速打到被镀表而，形成了人量的超细晶核。镀笔 与工件之间的相对运动影响镀层金属的形核过程，使镀层晶粒细化。镀液是有机配位物的水 溶液，金属离子以配位离子的形式存在，提髙了阴极极化作用。这些均是获得超细晶粒的主 要原因。超细晶粒使镀层单位体积内的晶界增多，形变抗力增大，、镀层得以强化。人量位错运动虽是造成晶体滑动变形的主要原因，但较高的位错密度反而能降低晶体 的易动性。电刷镀过程中扁度的不平衡电结晶过程在镀层中形成了高密度的位错缠绕和李晶, 使镀层形变抗力增大，镀层得以

5、强化。对谋一钻一磚合金镀层而言，xrd谱图中得到的仅是单相碌的晶体结构，这表明钩、钻 等成分已固溶于银基体中。山于鹄、钻与線的原子尺寸差异引起固溶体晶体点阵的畸变，有 效阻止了位错运动，因而固溶强化使镀层的性能得以增强。当纳米微粒弥散在镀层屮时，不仅对镀层起到了支撐作川，而h这些硕质点对提髙镀 层的耐磨性极为有利;其次，嵌入基质金属镀层的纳米微粒增加了镀层中的位错阻力，阻止 了晶体的滑移，使镀层的形变抗力增大，镀层得以强化。这就是所谓的纳米微粒效应强化。纳米微粒对镀层的强化机理尚不完善，述有待进一步的研究。2纳米微粒在镀液中的分散纳米微粒在镀液中的分散程度对镀层中纳米微粒均匀分布有重要的影响。

6、纳米微粒的 比表而积人，表而能高，使其表而处于极不稳定状态。为了降低表而能，纳米微粒往往通过 相互聚集而达到稳定状态。以团聚体存在的纳米微粒会火去其原有的纳米微粒效应，因此, 首先要使纳米微粒呈单分散态均匀且稳定地分散在镀液中，才有町能得到高质竄的纳米复合 镀层。h前纳米微粒的分散方法丄要分为物理法和化学法。由于不同粒径和种类的纳米微粒其分散性不同，在制备纳米复合镀层的过程中，往往同吋采用儿种分散方法。王为等以高分子聚电解质为分散剂，在镀镰液中实现了纳米2t02微粒的唯分散，并在 此纳米复合镀鎳液中制备出单分散ni-2r02纳米复合镀层。wang j l等在普通碳钢表面制 备了 ni-w-p-

7、ce02 -si02纳米复合镀层，研究了机械搅拌对纳米复合镀层微观结构及性能的 影响。结果表明：当机械搅拌速率为1 000 r/min时，纳米复合镀层的结构致密，基质金属 轮廓清晰，晶粒较细，纳米微粒以弥散态均匀分布在基质金属中，且镀层的沉积速率(32. 68 ym/h)和显微硬度(6 820 mpa)高。孙玉利等研究了超声波分散时间、表血活性剂种类及其 质量分数对纳米a12 03微粒在水相介质中分散性能的影响。结果表明：随着超声波分散时间的延长和分散剂的质量分数的增加，纳米a1203微粒的分散性均出现先增加后降 低的变化规律，且对丁每一种分散剂均存在最佳超声波分散时间和最佳质量分数。3镰基纳

8、米复合镀层的分类及其研究现状傑基纳米复合镀层按功能可分为：耐磨镀层、自润滑镀层、耐高温镀层以及耐蚀镀层 等。3. 1耐磨镀层镀层的耐磨性通常与便度直接相关，破度越高，耐燃性越好。将破度较高的纳米微粒(如 sic, a12 03,金刚石等)钦基金属镀液制成各种纳米复合镀层，纳米微粒弥散分布在基体中对有效细化展质金属品粒,提高妹质金属的硬度，从血使纳米复合镀层具有钱高的耐磨性。gyftou筹在镀银液中分别加入微米sic微粒和纳米sic微粒，制得ni-sic复合镀层， 并对复合镀层的力学性能和微观结构进行测试。结果表明：sic微粒的加入提高了镀层的硬 度和耐磨性，细化了镀层晶粒;対比之下，纳米sic

9、微粒对于镀层性能的影响更加显著。市于纳米a12 03微粒具有硬度高、价格低以及为银的亲和性好等特点，使其在复合电 刷镀技术中得到了广泛的应用。研究表明：纳米a12 03复合刷镀层具有硬度高、耐高温以 及耐磨等性能。国内有些学者用电镀的方法制备了含纳米金刚石粉的复合镀银层，与不含纳米金刚石 粉的普通镀镰层相比，其駛度增加了一倍以上，耐磨性能明显提高。陈小华等制备出的镰基碳纳米筲复合镀层，可以显著改善金属表面的耐磨性能。sem 分析结果表明：碳纳米管的一端嵌入银基体中，另一端暴露于基体镀层z外，可以对基体起 到保护作用。山于碳纳米管具有强度高、韧性及自润滑性能好等特点，剥落的碳纳米管覆盖 在材料的

10、磨损表曲，能起到降低磨损率的作川。3.2白润滑镀层在镀液中加入具有较低硬度和良好自润滑性能的纳米微粒（如mos2,ptfe,碳纳米管等）, 与基质金属共沉积可以获得口润滑性能良好的纳米复合镀层。这种镀层的摩擦系数很低，在 轴承、汽缸、齿轮等部件上应用十分广泛。周细应等利用电刷镀技术制备了 ni-ptfe纳米复合镀层，并对镀层的微观结构进行观 察。结果表明：纳米ptfe的加入可明显细化复合镀层的晶粒，ii以微粒状态弥散于镀层中。 杨玲玲等以45#钢为基体，采用化学镀的方法分别制备了 ni-p-mos2和nip_ cafz两种纳 米复合镀层，并对两种镀层的白润滑性能进行测试。结果表明：常温下两种纳

11、米复合镀层的 自润滑性能均优于未添加纳米微粒的纯键镀层的，h. ni-p-mos2纳米复合镀层的自润滑性能 优于ni-p- caf2纳米复合镀层的。3. 3耐高温镀层将纳米陶瓷微粒(如si02, zroz, al2 03 )应用于复合镀层中能有效地提高镀层的耐 高温性能，与微米微粒复合镀层和比，纳米微粒的加入口j显著改善镀层的微观结构，提高镀 层的耐高温性能。姚素薇等对ni-w合金镀层及ni-w-zez纳米复合镀层的耐高温性能进行分析。结果表 明：纳米复合镀层的氧化增重量仅为合金镀层的1/2,其高温热稳定性较ni7合金镀层的 提高了 39 °c o徐龙堂等用电刷镀的方法制备了 ni-

12、alz03纳米复合刷镀层，发现该复合镀层的使用温 度可达400°c,此时的维氏硬度为6 470 mpa,磨痕深度仅为相同温度下快速镀篠层的1/4, 表现出了良好的高温硬度和耐磨性能。另外，研究表明：纳米la2 03微粒的加入可使银基镀层的晶粒明显细化，且该镀层的 耐高温性能比纯银基镀层的高得多。3. 4耐蚀镀层吴少驹在快速镀傑液的基础上，通过添加纳米cr2 03微粒制备了 ni-cr2 03纳米复合 镀层，并测试了镀层的显微侦度、耐蚀性与极化曲线。结果表明：加入纳米cr2 03微粒后， 镀层的驶度和耐蚀性均有所提高o梁平采用电刷镀技术制备了 ni-p合金镀层和ni-p-sic纳米复合镀层。结果表明：纳 米sic微粒的加入影响镀层的沉积和牛长过程，制得的纳米复合镀层比ni-p合金镀层更加 平整、光消、致密，镀层表而的微裂纹数量明显减少，耐蚀性得到显著增强。周苏闽等采川化学镀的方法，使川季钱盐类阳离子型表而活性剂和酚醛类非离子型表 而活性剂制得了纳米微粒分散良好的ni-p-ceoz纳米复合镀层，该镀层在质量分数为10%的 nacl溶液和质量分数为1%的h。s气