电沉积制备镍铜纳米多层膜的工艺及组织与性能研究

【摘要】：纳米材料的颗粒尺寸极小、粒度分布精密、结块程度低及分散性较好,使得其展现出不同于传统材料的优越性能。纳米多层膜由于其周期的调制结构,更使得其具备了一些不同于一般纳米材料的特性。目前基于纳米多层膜巨磁阻效应的传感器研发与应用正进行得如火如荼,基于其优良耐腐蚀性的防腐涂层及优良的力学性能等方面的研究也成为目前纳米科技界的一个热点。 本文阐述了纳米多层膜的各方面性能、应用热点、目前学术界的一些研究进展及其各种制备方法。重点探讨了单槽法控电位脉冲电沉积制备Cu/Ni纳米多层膜的工艺制备过程。确定了其电解液成分如下：硫酸镍1mol/L,硫酸铜0.01mol/L。硼酸40g/L,十二烷基硫酸钠0.1g/L,十二烷基苯磺酸钠0.05g/L,糖精钠1g/L,氯化钠0.5g/L。确定了各子层的沉积电位：铜的沉积电位为-0.6V,镍的沉积电位为-1.1V。电沉积温度为50℃。同时,研究了Cu/Ni纳米多层膜的结构与其力学性能、耐腐蚀性能间的关系。发现：多层膜调制波长为10nm、50nm、70nm、100nm时出现显微硬度峰值,调制波长为100nm时,显微硬度值最大,达到538HV。调制波长为6nm时,显微硬度值最小,为105HV。另外在调制波长为10nm-40nm间,多层膜显微硬度与调制波长之间符合Hall-Petch关系,多层膜显微硬度随波长的增大而减小；子层厚度极薄的多层膜(Cu层厚约2nm,Ni层厚约4nm)在退火温度为200℃,分别处理1h和2h,其显微硬度与250℃退火1h的情况基本相等。250℃下处理2h后,显微硬度达339HV。300℃分别退火1h和2h,显微硬度值基本不变；调制波长增大,镀层腐蚀电位就越负。调制波长为40nm的铜镍多层膜的耐腐蚀性最好。对多层膜的断面形貌进行了表征,可以直观的看出多层膜的层状结构连续清晰。对多层膜的结构进行了XRD表征,发现并没有合金峰值的存在,证明层状结构较好,子层问并没有形成互扩散而生成合金相。同时在多层膜调制波长小于30nm时形成了超晶格结构。 电沉积制备纳米多层膜,方法简单可行,对设备要求不高,成本低,且层状结构连续清晰,不易形成层间扩散,具有很大的应用前景。若要形成工业化生产,还需要克服以下难题：双槽法中基体在两种镀液间如何形成自动化可控制的转换；单槽法如何提高含痕量金属的沉积速率,以缩短制备时间。预计以后发展趋势如下：针对双槽法,可以研发相关程序及感应器,以达到自动化精确控制电沉积过程的目的；针对单槽法,一方面可以研发痕量金属的络合剂,以加速其络合离子在阴极表面上放电,提高沉积速率。另一方面可以通过改变溶液组分,使其在沉积含量较多金属时,形成金属共沉积,以达到单位时间内提高多层膜中痕量金属含量的目的,从而缩短了制备时间。