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组份调制锌基多层膜的制备及其腐蚀行为研究

费敬银  
【摘要】: 近年来,一种称之为组分调制多层膜的新型材料逐步成为人们研究的热点。组分调制多层膜是一类由两种金属或合金子层交替叠加而形成的多层结构材料。有研究结果表明,多层膜材料具有特殊的机械、力学、电磁学、光学和电化学性能。为了研制具有更好性能的新型防腐材料,已有人开始研究组分调制多层膜的耐腐蚀性能。初步研究结果表明,组分调制锌基多层膜材料具有更好的耐蚀性能。但是到目前为止,很少有人从机理上就组分调制多层膜耐蚀性能提高的原因给出合理的解释;组分调制合金多层膜的简易制备方法及其耐蚀行为的研究工作尚未广泛开展。因此,开展组分调制锌基多层膜的制备方法及其腐蚀行为研究,初步提出组分调制多层膜的耐蚀机理,从本质上揭示多层膜具有更高耐蚀性的本质,对探索组分调制锌基多层膜的结构与性能、制备新型耐蚀材料具有十分重要的理论及现实意义。为此,本文在全面分析、归纳、总结国内外组分调制多层膜制备方法及性能研究的基础上,从以下几个方面对组分调制锌基多层膜的制备方法及腐蚀行为进行了研究。 1)采用双槽法从改进后的镀锌液和最新研制成功的近中性镀镍液中电沉积出了子层完整、界面清晰的组分调制Zn、Ni多层膜,并对多层膜的微观形貌、耐蚀行为进行了全面的研究。为了克服用氨基磺酸镍镀液电沉积镍子层过程中存在的问题,在制备组分调制Zn、Ni多层膜的过程中,本文提出了一种新型近中性镀镍溶液并对其电沉积特性进行了考察。研究发现,镀镍液性能的好坏、镀镍层内应力的大小是决定多层膜性能高低的关键因素。使用含有镍离子络合剂的近中性镀镍溶液有利于抑制电沉积镍子层时置换反应的发生,降低镍子层的内应力,从而可以制备出子层完整、界面清晰的多层膜。与相同厚度的纯锌、纯镍镀层相比,组分调制Zn、Ni多层膜具有更好的耐蚀性。当子层厚度为最佳厚度时,组分调制Zn、Ni多层膜具有最好的耐蚀性。在子层厚度相同的情况下,Ni/Zn系列多层膜比Zn/Ni系列多层膜具有更好的耐蚀性。多层膜腐蚀行为研究结果表明,锌子层的牺牲阳极保护作用,镍子层的机械隔离作用是组分调制Zn、Ni多层膜具有更好耐蚀性的根本原因。 2)采用双槽法从改进后的镀锌液、优选出的Zn-Ni合金镀液中电沉积出了组分调制Zn、Zn-Ni合金多层膜,用现代表征方法研究了Zn、Zn-Ni合金多层膜微观形貌变化的规律及其耐蚀性提高的机理。在双槽法制备组分调制Zn、Zn-Ni合金多层膜及其耐蚀行为的过程中,首先对硫酸盐型Zn-Ni合金镀液的组成及工艺参数进行了优化,通过分析、归纳镀液组成、工艺参数对Zn-Ni合金镀层成份、微观形貌影响的规律,提出一种适用于制备组分调制Zn、Zn-Ni合金多层膜的Zn-Ni合金镀液配方。采用该配方电沉积出的组分调制Zn、Zn-Ni合金多层膜具有子层连续、界面分明等特点。Zn、ZnoNi合金多层膜的结构特征及其对多层膜耐蚀性能影响的规律与组分调制Zn、Ni多层膜相似。微观形貌表征结果表明,多层膜中Zn子层的存在有利于降低Zn-Ni合金子层的内应力,减少Zn-Ni合金子层中的微裂纹数,从而提高Zn-Ni合金子层对基体金属的保护作用。通过研究腐蚀后Zn、Zn-Ni合金多层膜微观形貌变化的规律发现,Zn-Ni/Zn系列多层膜比Zn/Zn-Ni合金系列多层膜具有更高耐蚀性的主要原因可能与Zn-Ni/Zn系列多层膜腐蚀过程中,在基体表面上残存有对基体起保护作用的Zn-Ni合金子层有关。 3)利用含有逆向脉冲的脉冲电镀方法改变了Zn-Co合金直流电镀时固有的异常共沉积特性,实现了用脉冲参数控制法从单一槽液中电沉积子层成份任意可调的组分调制Zn-Co合金多层膜。用直流电沉积方法研究镀液组成、工艺条件对Zn-Co合金镀液电沉积特性影响的规律时发现,虽然Zn-Co合金镀液的组成、pH值、阴极电流密度、温度等均对Zn-Co合金镀层的成份、形貌产生一定程度的影响,但无法改变Zn-Co合金电沉积过程中的异常共沉积的特性,不可能用直流电沉积的方法获得含钴量较高的Zn-Co合金镀层。当采用含有逆向脉冲的脉冲电镀方法电沉积Zn-Co合金时,可以改变Zn-Co合金的异常共沉积特性。深入研究表明,所有脉冲参数均对Zn-Co合金镀层的组成、性能产生影响,其中逆向脉冲系数、平均电流密度对Zn-Co合金镀层的组成、形貌等影响最大,仅仅通过改变逆向脉冲系数、平均电流密度的值,就可以使Zn-Co合金镀层中的含钴量在10~90wt%的范围内发生变化。逆向脉冲的引入不仅改变了Zn-Co合金的异常共沉积特性,也对降低镀层应力、细化晶粒、制备高质量的Zn-Co合金镀层有积极作用。基于脉冲参数对Zn-Co合金镀层组成、性能影响规律研究的结果,利用计算机辅助电流波形设计技术,成功地制备了子层成份任意可调的组分调制Zn-Co合金多层膜。 4)借助于中性盐雾腐蚀试验、腐蚀电位测量、阳极极化曲线测试、和腐蚀前后多层膜微观形貌、成份分析等手段,研究了多层膜的腐蚀机理。结果表明,尽管在不同类型多层膜中子层金属的种类各不相同,其保护基体金属免遭腐蚀的方式是相似的。多层膜中活性子层的牺牲阳极保护作用、惰性子层的机械隔离作用以及由它们共同产生的“协同效应”是其具有更好耐蚀性的根本原因。


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