电泳—电沉积镍基纳米复合镀层及其性能的基础研究

论文摘要

纳米复合镀层由于具有优异的物理机械性能而受到广泛的研究与关注。在目前的研究中,主要是通过纳米粒子与基质金属的共沉积来制备纳米复合镀层,由于共沉积工艺所制备纳米复合镀层中的微粒含量极低,纳米粒子的独特性能未能得到充分发挥,复合镀层的性能难以得到更为有效的提高。为充分发挥纳米粒子的性能,制备具有更高微粒含量的纳米复合镀层,本文提出了采用电泳-电沉积制备纳米复合镀层的新工艺。具体为:首先在基体表面电泳沉积均匀分布且良好分散的纳米粒子,然后在微粒孔隙之中电沉积基质金属,以基质金属镶嵌纳米粒子而获得纳米复合镀层。采用电泳-电沉积工艺制备纳米复合镀层的微粒体积含量在15%60%之间,微粒含量的显著提高使得镀层中纳米粒子的独特性能得以充分发挥。本文的主要研究内容及其结论如下:1.开展了纳米粒子的电泳沉积研究。系统研究了电泳沉积参数对电泳沉积量及沉积层中纳米粒子分散状态的影响,优选了对纳米Al2O3粒子在乙醇溶液中具有解团聚作用的分散剂,初步实现了均匀分布且具有良好分散的纳米粒子电泳沉积层的制备。2.研究了电泳-电沉积工艺制备纳米复合镀层的工艺过程。通过分析金属电沉积过程中纳米粒子分布状态的变化,提出了电沉积过程中纳米粒子存在着被扰动与再沉积的现象;系统分析了电泳-电沉积工艺中各工艺参数对纳米复合镀层微粒含量及其分散状态的影响,并研究了各工艺参数组合下复合镀层所能达到的最大厚度。3.对电泳-电沉积纳米复合镀层的表面形貌、组织成分及微观结构进行了测试与分析。研究了主要工艺参数对纳米复合镀层微观形貌的影响;以各微区内微粒含量的均方差为评价指标,采用正交试验研究了影响镀层中纳米粒子分布均匀性的主要因素,并就纳米粒子对基质金属择优取向的影响,以及纳米复合镀层的微观组织结构进行了分析。研究表明,电泳液微粒浓度与电沉积阴极电流密度是影响镀层中纳米粒子分布状态的主要因素;经过良好分散的纳米粒子可以显著细化基质金属晶粒,复合镀层的表面平整,组织致密均匀,弥散分布的纳米粒子与基质金属之间有着良好的结合,纳米粒子的存在对基质金属的择优取向产生了明显影响。4.对纳米复合镀层的显微硬度、耐磨性、耐蚀性及其与基体的结合性能进行了研究。结果表明,纳米粒子的强化作用使得纳米复合镀层的显微硬度与耐磨性能均有明显提高,其磨损形式主要是以磨料磨损为主;与纯镍镀层相比,复合镀层在各类腐蚀介质中的腐蚀凹坑更为细小和均匀,镀层表面的腐蚀均匀性有所提高;纳米复合镀层与基体的结合强度同镀层中的微粒含量有关,当微粒含量在一定范围内时,复合镀层的结合强度优于纯金属镀层的结合强度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米复合镀层的特点
• 1.2 纳米复合镀层的分类及研究现状
• 1.2.1 高硬度耐磨纳米复合镀层
• 1.2.2 自润滑减摩纳米复合镀层
• 1.2.3 抗高温氧化纳米复合镀层
• 1.2.4 耐腐蚀纳米复合镀层
• 1.2.5 自催化纳米复合镀层
• 1.3 纳米复合镀层的制备工艺研究
• 1.3.1 复合共沉积的工艺研究
• 1.3.1.1 纳米复合电镀
• 1.3.1.2 纳米复合化学镀
• 1.3.1.3 纳米复合电刷镀
• 1.3.2 复合共沉积的机理研究
• 1.3.3 复合共沉积工艺的局限性
• 1.3.4 非共沉积工艺制备纳米复合镀层的研究
• 1.4 电泳沉积概述
• 1.4.1 电泳沉积法简介
• 1.4.2 电泳沉积纳米粒子薄膜的研究
• 1.4.3 电泳沉积层的后续处理
• 1.5 电泳—电沉积工艺制备纳米复合镀层
• 1.6 本课题研究的主要内容
• 第二章 电泳沉积及电化学沉积的机理分析
• 2.1 引言
• 2.2 纳米粒子电泳沉积的基础理论
• 2.2.1 纳米粒子在溶液中的团聚与分散
• 2.2.2 纳米粒子在电泳液中的稳定机理
• 2.2.3 微粒的电泳沉积机理
• 2.3 金属电沉积的基础理论
• 2.3.1 金属电沉积的基本原理
• 2.3.2 金属电结晶的主要形式
• 2.3.2.1 理想晶面的生长过程
• 2.3.2.2 电结晶的形核过程
• 2.3.2.3 实际晶面的生长过程
• 2.4 本章小结
• 第三章 纳米粒子的电泳沉积研究
• 3.1 引言
• 3.2 电泳沉积试验方法的选择
• 3.2.1 纳米粒子的选择
• 3.2.2 分散介质的选择
• 3.2.3 电极材料的选择与预处理
• 3.2.4 分散方式的选择
• 3.2.5 沉积模式的选择
• 3.3 试验准备
• 3.3.1 电泳悬浮液的制备
• 3.3.2 试验过程
• 3.3.3 电泳沉积层的测试与表征
• 2O₃ 粒子在乙醇中的电泳沉积'>3.4 纳米AL₂O₃粒子在乙醇中的电泳沉积
• 2O₃ 微粒在乙醇溶液中的荷电机理'>3.4.1 Al₂O₃微粒在乙醇溶液中的荷电机理
• 2＋浓度对电泳沉积的影响'>3.4.2 Mg^2＋浓度对电泳沉积的影响
• 3.4.3 沉积电压对电泳沉积的影响
• 3.4.4 电泳液微粒浓度对电泳沉积的影响
• 3.4.5 电泳沉积时间对电泳沉积的影响
• 3.4.6 电泳液pH 值对电泳沉积的影响
• 3.4.7 电泳液温度对电泳沉积的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 电泳－电沉积纳米复合镀层的制备工艺
• 4.1 引言
• 4.2 电沉积试验系统的组成
• 4.2.1 电源的选择
• 4.2.2 电沉积单元
• 4.2.3 温度及搅拌控制单元
• 4.2.4 镀液及其组成选择
• 4.3 电极反应分析
• 4.3.1 阳极反应
• 4.3.2 阴极反应
• 4.4 复合镀层中微粒含量及分散状态的检测
• 4.4.1 纳米粒子分散状态的检测
• 4.4.2 纳米粒子含量的检测
• 4.4.3 复合镀层厚度的检测
• 4.5 基质金属电沉积步骤的分析
• 4.6 影响复合镀层中纳米粒子含量的工艺参数
• 4.6.1 电泳液微粒浓度对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.6.2 电泳沉积电压对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.6.3 电泳沉积时间对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.6.4 电沉积阴极电流密度对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.6.5 镀液温度及pH 值对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.7 工艺参数对纳米复合镀层最大厚度的影响
• 4.7.1 电泳液微粒浓度
• 4.7.2 电泳沉积电压
• 4.7.3 电泳沉积时间
• 4.7.4 电沉积阴极电流密度
• 4.8 电泳－脉冲电沉积纳米复合镀层的研究
• 4.8.1 脉冲电沉积及其工艺参数
• 4.8.2 脉冲电沉积的机理分析
• 4.8.3 脉冲参数对镀层中纳米粒子含量的影响
• 4.8.3.1 脉宽和脉间
• 4.8.3.2 平均电流密度
• 4.9 电泳－合金电沉积纳米复合镀层的研究
• 4.9.1 合金电沉积的条件
• 4.9.2 Ni-Co 合金电沉积
• 2O₃ 纳米复合镀层微粒含量的影响'>4.9.3 工艺参数对Ni-Co-Al₂O₃纳米复合镀层微粒含量的影响
• 4.10 本章小结
• 第五章 电泳－电沉积纳米复合镀层的组织结构
• 5.1 引言
• 5.2 纳米复合镀层组织结构的测试方法
• 5.2.1 纳米复合镀层微观形貌及组织成分测试
• 5.2.2 纳米复合镀层相结构和结晶取向分析
• 5.2.3 纳米复合镀层的微观结构分析
• 5.3 纳米复合镀层的组织成分及纳米粒子分布状态分析
• 5.3.1 纳米复合镀层的组织成分
• 5.3.2 纳米粒子在复合镀层中的分布状态
• 5.3.2.1 纳米粒子在微区内的分布状态
• 5.3.2.2 工艺参数对纳米粒子分布均匀性的影响
• 5.4 纳米复合镀层的微观形貌及其影响因素
• 5.4.1 电泳－直流电沉积纳米复合镀层的微观形貌
• 5.4.2 纳米复合镀层微观形貌影响因素的分析
• 5.4.2.1 电泳液微粒浓度对复合镀层表面微观形貌的影响
• 5.4.2.2 阴极电流密度对表面微观形貌的影响
• 5.4.2.3 电泳－脉冲电沉积纳米复合镀层的表面微观形貌
• 5.4.2.4 电泳－合金电沉积纳米复合镀层的表面微观形貌
• 5.5 电泳－电沉积纳米复合镀层的择优取向分析
• 5.5.1 择优取向的基本理论
• 5.5.2 电泳－电沉积纳米复合镀层的基质金属择优取向分析
• 5.6 电泳－电沉积纳米复合镀层的微观结构
• 5.7 本章小结
• 第六章 电泳－电沉积纳米复合镀层的机械性能
• 6.1 引言
• 6.2 电泳－电沉积纳米复合镀层的显微硬度
• 6.2.1 显微硬度的测试方法
• 6.2.2 电泳－直流电沉积纳米复合镀层的显微硬度
• 6.2.2.1 电泳液微粒浓度对镀层显微硬度的影响
• 6.2.2.2 电泳沉积电压对镀层显微硬度的影响
• 6.2.2.3 电泳沉积时间对镀层显微硬度的影响
• 6.2.2.4 电沉积阴极电流密度对镀层显微硬度的影响
• 6.2.3 电泳－脉冲电沉积纳米复合镀层的显微硬度
• 6.2.3.1 脉宽和脉间对镀层显微硬度的影响
• 6.2.3.2 电沉积平均电流密度对镀层显微硬度的影响
• 6.2.4 电泳－合金电沉积纳米复合镀层的显微硬度
• 6.2.5 复合镀层的强化机理
• 6.3 电泳－电沉积纳米复合镀层的耐磨性能
• 6.3.1 磨损类型及其影响因素
• 6.3.2 电泳－电沉积纳米复合镀层的摩擦磨损试验
• 6.3.3 电泳－电沉积纳米复合镀层的耐磨性能
• 6.3.4 电泳－电沉积纳米复合镀层的磨损机理
• 6.4 电泳－电沉积纳米复合镀层与基体的结合性能
• 6.4.1 镀层结合强度的检测方法
• 2O₃ 纳米复合镀层的结合性能'>6.4.2 Ni-Al₂O₃纳米复合镀层的结合性能
• 6.5 电泳－电沉积纳米复合镀层的孔隙率分析
• 6.5.1 样件制备及检测
• 6.5.2 镀层中微粒含量对孔隙率的影响
• 6.5.3 电沉积阴极电流密度对镀层孔隙率的影响
• 6.5.4 电沉积时间对镀层孔隙率的影响
• 6.6 电泳－电沉积纳米复合镀层的耐蚀性能
• 6.6.1 镀层耐蚀性能的检测
• 6.6.2 镀层在10％ HCl 溶液中的耐蚀性能
• 2SO₄ 溶液中的耐蚀性能'>6.6.3 镀层在10％ H₂SO₄溶液中的耐蚀性能
• 6.6.4 纳米复合镀层的耐蚀机理
• 6.7 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究工作及结论
• 7.2 对本研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文