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电沉积Ni基复合层的应用基础研究

李卫东  
【摘要】:镍具有硬度高、熔点高以及在空气中易钝化、不易腐蚀等特点,广泛应用于各种装饰性及功能性电沉积行业中。由于传统的全光亮产品反射性强以及某些产品外观和特殊零部件所需特殊装饰要求、不允许采用全光亮沉积层,因此具有各种迷人色彩及哑光的防护装饰性沉积层应运而生。 另外,随着科技的发展,现有的单组分材料已难以满足工业发展的特殊要求,开发各种新型结构材料与功能材料,是目前材料科学中的一个重要研究方向。近年来高速发展起来的复合层,以其独特的化学、生物、物理机械性能,成为复合材料的一支新秀,正日益获得广泛的关注。通过电沉积的方法将微米或纳米级的惰性固体微粒夹杂在基质金属沉积层中,得到的复合沉积层往往具有许多单金属和合金所不具备的性能,如较高的硬度、高耐磨性、自润滑性、高比表面以及高催化活性等,而且制备方便、不要求高温高压、组成易于控制。因此,金属基复合材料在航空、航天、机械制造、电子材料及国防军工等领域得到了广泛的研究和应用。 本文就镍的亚光装饰性电镀及功能性复合电沉积开展研究,研究的主要内容及结论如下: 1,研究开发了在中温、宽电流密度范围、免搅拌条件下工作,可以得到外观均匀细腻的缎面镍电沉积层,该镀液稳定、工作周期长。考虑到采用乳化液型添加剂所得缎面镍镀液,不仅长时间使用槽液表面会形成油污,而且达到缎面效果所需时间较长,原材料浪费较严重。进一步研究了一种全新的S型无浊点添加剂,避免了以往使用非离子型表面活性剂加入后溶液出现浑浊现象,从根本上解决了由此所引起镀液不稳定的因素。所得沉积层具有如下特点:达到缎面效果时间短,沉积层韧性好;沉积层洁白柔和;镀液同样稳定。 对沉积层表面形貌分析表明,使用所研究的WD-20系列添加剂,使乳滴在电极表面吸附、脱附所产生的圆形凹坑分布均匀,凹坑的深度大约在0.1-0.3μm,其直径基本为3-6μm,小于文献报道的12μm,得到的沉积层缎面效果明显且均匀。而无浊点缎面镍添加剂S-A的作用与传统的缎面镍添加剂的作用不同,它们使镍在沉积时形成一个个独立的小颗粒,均匀凸起在沉积层表面,没有出现传统缎面镍所特有的圆型凹坑。S-A剂,它不是作为一种“乳滴”,而是作为一种独立的、分散的“添加剂”,吸附在阴极表面,阻止了Ni~(2+)在该吸附点的放电,致使阴极表面微观上粗糙不平,宏观上就产生了缎面效果,由于它不是“乳滴”,在本体系的环境条件下不会产生微细气泡和油状液滴,故使镀液一直处于透明、清澈的状态, 亦即为无浊点了。 在相同的电流密度下,若要达到相同的缎面效果,使用WD型的添加剂所需 电沉积时间为7一巧分钟;而S型添加剂在2一3分钟即可达到良好的亚光效果,电 沉积时间短,且沉积层不用达到6林m就能呈现缎面效果,所需沉积的镍相对较少, 可大大节省工时及镍材。 2,研究了在电沉积镍液中加入粒径为1一2林m的510:微粒而制备Ni一510:复 合沉积层的方法,探讨了Siq微粒在沉积层中的共析量与阴极电流密度的关系, 以及镀液的pH值、搅拌速度、微粒悬浮量、添加剂等因素对Ni一510:复合沉积 层的影响,确定了其最佳镀液组成和工艺参数。制备的沉积层中510:含量范围为 10~22wt%。沉积层的外观均匀、细致,并有金属光泽。 对510:微粒共沉积影响因素的研究表明:随着搅拌强度的提高,510:微粒 在沉积层中的共析量相应增大;当槽液中510:分散量达到50叭时,沉积层中 510:的共析量达到最大值;复合沉积层中510:的共析量随阴极电流密度的增大 而先增大,在Dk=3户以dmZ左右达时到峰值,然后随着阴极电流密度的继续增大而 减小;沉积层中510:的共析量与溶液pH值的关系为随着pH值的上升而逐渐下 降。 3,通过研究Ni一Tio:微粒复合电沉积过程中的pH值、电流密度、搅拌速度、 镀液中TIOZ的含量及添加剂对复合沉积层的表观和沉积层中Ti仇的含量的影响, 得到了复合微粒含量范围在5一10%且表观形貌良好的Ni一纳米TIO:复合沉积层。 并讨论了金红石型和锐钦型Tio:与Ni形成的复合沉积层的共同特点和区别点。 此外,采用粒径为2一3 pm之间的Ti仇微粒与镍的共沉积来了解微粒的粒径对镀 层中微粒共析量的影响,制备出了沉积层中微米级TIOZ共析量为10~加,比%的复 合沉积层。结果表明,在复合沉积层中,微米级的TIOZ共析量大于纳米级TIOZ 共析量且微粒在沉积层中的分布更均匀。 各种电沉积因素对微粒共沉积行为的影响如下:沉积层中TIO:的含量随着锐 钦型TIO:在镀液中的分散量的提高而逐渐增大,在30叭左右达到峰值,然后又 缓慢下降。金红石型TIOZ的共析量随其在镀液中的分散量的增加而逐渐上升,在 分散量为409几左右时达到峰值后,开始有所下降。比较而言,相同微粒分散量 时,锐钦型TIOZ沉积层中微粒含量大于金红石型沉积层微粒含量。槽液中加入微 粒分散剂后,较好地抑制了金红石型纳米Ti仇微粒的团聚现象,对锐钦型纳米 Tio:微粒也有一定的作用。锐钦型Ti仇微粒在电流密度低于4刀dmZ时,沉积层 中Tio:的含量随阴极电流密度的增大而增大;在4刀dmZ左右达到峰值后,随着 阴极电流密度的继续增大而减?


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