论文部分内容阅读
随着科技的进步和现代工业的发展，人们对材料的性能提出了更高更苛刻的要求，电沉积金属镀层从单一组分镀层向多元化、复合化的方向发展。电沉积通常是在水溶液中进行的，但是水溶液低的电化学窗口、阴极析氢以及废水处理等问题严重制约了其广泛的工业应用。此外，在水溶液中电沉积金属基复合镀层还存在微粒在电解液中分散稳定性差以及在镀层中含量低的问题，这严重影响了复合镀层的性能。低共熔溶剂由于具有宽的电化学窗口、高的金属盐溶解度、高的电导率、低的蒸气压以及高的离子强度和粘度等优点而被认为是电沉积金属、合金和金属基复合镀层的理想溶剂。尤其与水溶液相比，低共熔溶剂高的粘度有助于纳米微粒在电解液中的稳定分散。 本文选用胆碱基低共熔溶剂（氯化胆碱/乙二醇和氯化胆碱/尿素）作为电解液，电沉积制备了金属及金属基复合镀层，研究了金属在低共熔溶剂体系中的电沉积机理;探讨了工艺参数对镀层组成、表面形貌、晶体结构及性能的影响，得到的主要结论如下: 1.在氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂中研究了纳米晶Ni的电沉积过程，结果表明，随着沉积的进行，Ni的电结晶方式由三维连续形核变为三维瞬时形核;随着沉积电流密度的增加，纳米Ni镀层晶粒细化、结晶度增加，对应镀层的显微硬度和耐磨性增强。 在氯化胆碱/尿素低共熔溶剂(reline)-水体系中探讨了Zn-Ni合金镀层的电沉积过程。结果表明，随着reline-xH2O体系中水含量的增加，体系的电导率增加，当水含量达到5wt.％时，reline低共熔溶剂仍能保持较宽的电化学窗口;随着reline-xH2O体系中水含量的增加，Zn-Ni合金镀层中Ni含量逐渐降低，镀层腐蚀电流密度逐渐增加，但是浸泡实验表明，水含量为5wt.％时制备得到的Zn-Ni合金镀层对碳钢基底的防护效果最好。通过调节reline低共熔溶剂中水含量可以制备得到Ni含量可控的Zn-Ni合金镀层。 2.在氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂中研究了Ni-SiC耐磨复合镀层的电沉积过程。结果表明，在含有氯化镍的低共熔溶剂中，微/纳米SiC微粒均能长时间稳定分散;低共熔溶剂中SiC微粒的存在对Ni的还原具有一定的抑制作用，且引起Ni电结晶方式的改变;与微米SiC相比，含有纳米SiC的Ni基复合镀层表现出高的显微硬度，低的摩擦系数和磨损率。 在氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂中研究了MoS2纳米微粒分散效果对Ni电沉积过程以及复合镀层形貌、组成与摩擦学性能的影响。结果表明，虽然磁力搅拌和超声搅拌均能使MoS2纳米微粒在含有氯化镍的低共熔溶剂中长时间稳定分散，但是超声搅拌下MoS2纳米微粒的平均粒径只有磁力搅拌下的1/4，说明超声搅拌对MoS2纳米微粒具有更好的分散效果;低共熔溶剂中MoS2纳米微粒的存在对Ni的还原具有一定的抑制作用，且引起Ni电结晶方式的改变，MoS2分散效果越差，MoS2微粒对Ni电结晶过程影响越显著;与磁力搅拌相比，超声搅拌下制备的Ni-MoS2复合镀层表现出较小且稳定的摩擦系数和磨损率，说明MoS2微粒分散效果越好，制备得到的复合镀层的性能越优异。 3.在氯化胆碱/尿素低共熔溶剂中研究了Zn-GO耐腐蚀复合镀层的电沉积过程。结果表明，GO在含有氯化锌的水溶液中很快发生沉降，而在含有氯化锌的低共熔溶剂中则能长时间稳定分散;低共熔溶剂中GO的存在对Zn的还原具有促进作用，并引起Zn形核机制的改变;随着电解液中GO浓度的增加，Zn-GO复合镀层的耐腐蚀性能逐渐增强，且出现了明显的二次钝化现象。 在氯化胆碱/乙二醇低共熔溶剂中研究了Ni-SiO2耐腐蚀复合镀层的电沉积过程。结果表明，纳米SiO2微粒在含有氯化镍的低共熔溶剂中能长时间稳定分散，并在低共熔溶剂中成功制备得到高SiO2纳米微粒含量的Ni基复合镀层，其共沉积纳米SiO2微粒的含量(4.69wt.％)与水溶液中共沉积微米尺寸SiO2微粒的量相当，以低共熔溶剂作为电解液有效解决了水溶液中SiO2微粒与金属难以共沉积的难题;随着镀层中共沉积SiO2微粒含量的增加，Ni-SiO2复合镀层耐腐蚀性能显著增加。 4.共沉积微粒在镀层中的含量及分布均匀性是影响复合镀层性能的两个主要因素。虽然以低共熔溶剂作为电解液可以提高Ni基复合镀层中SiO2纳米微粒的含量，但是SiO2纳米微粒在镀层表面存在明显的富集现象。为了提高SiO2纳米微粒在镀层中的分布均匀性，通过在低共熔溶剂中原位合成SiO2纳米微粒来制备Ni基复合镀层。与传统直接添加粒子法相比，原位合成粒子法可以制备得到SiO2纳米微粒在整个镀层中均匀分布的Ni基复合镀层，且该镀层表现出较高的显微硬度，较小且较稳定的摩擦系数和磨损率。 5.对本论文所采用的4种微粒(SiC、MoS2、GO、SiO2)对比分析发现，与水溶液体系相比，4种微粒在低共熔溶剂体系中均表现出较好的分散稳定性和分散均匀性;低共熔溶剂中GO和SiO2微粒的存在对金属的电沉积过程具有促进作用，而SiC和MoS2微粒的存在则对金属的电沉积过程具有抑制作用，且4种微粒的存在均使得金属的电结晶过程趋向于三维瞬时形核。