現(xiàn)代表面工程課程論文.doc

華東理工大學(xué)華東理工大學(xué)20142015學(xué)年第一學(xué)期 表面科學(xué)與工程 課程論文 2014.11班級機(jī)動(dòng)141學(xué)號Y30140563姓名高中正 _開課學(xué)院機(jī)械學(xué)院 任課教師高志成績_論文題目：論文要求：針對表面科學(xué)與工程的某一領(lǐng)域，完成一篇新技術(shù)、新理論、新工藝方面的課程論文。對內(nèi)容和工藝的說明要求具體，不能寫成綜述性的論文。要求字?jǐn)?shù)在5000左右，參考文獻(xiàn)不少于10篇。教師評語：教師簽字： 年 月 日摘要納米復(fù)合鍍層就是在鍍液中加入納米固體顆粒，通過與金屬共沉積獲得鍍層把納米顆粒應(yīng)用在電鍍、化學(xué)鍍及電刷鍍中來獲得比普通復(fù)合鍍層高的硬度、耐磨性、減摩等已獲得較大進(jìn)展。納米材料在力、電、聲、光、熱、磁等方面的許多特性，對獲得具有特殊表面功能的復(fù)合鍍層提供了前所未有的機(jī)遇，將使復(fù)臺鍍層的功能特性得到大幅度提升。具有優(yōu)異特性的納米顆粒材料在復(fù)合鍍層中的應(yīng)用有力地促進(jìn)著復(fù)合鍍層的發(fā)展。本文綜述了納米顆粒在納米復(fù)合鍍層的沉積機(jī)理、制備工藝及其應(yīng)用等的研究。13關(guān)鍵詞：納米顆粒；電鍍；化學(xué)鍍；電刷鍍1納米復(fù)合鍍層制備工藝現(xiàn)階段納米復(fù)合鍍層制備的主流工藝大致分為三類，分別是電沉積工藝，電刷鍍工藝以及化學(xué)鍍工藝。2納米復(fù)合鍍層的電沉積法簡介：納米復(fù)合電沉積是一種新興的復(fù)合表面技術(shù)。闡述了納米顆粒與金屬共沉積的機(jī)理、工藝條件對納米復(fù)合電沉積的影響，以及納米復(fù)合共沉積的應(yīng)用。納米與金屬共沉積可明顯提高鍍層的硬度、耐磨、耐蝕、光催化和電接觸性能。機(jī)理：盡管復(fù)合鍍層的發(fā)展已有很長的歷史，而且隨著其工藝的不斷完善與納米新技術(shù)的出現(xiàn)，性能更加優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層也已經(jīng)開始研究，但關(guān)于復(fù)合電沉積機(jī)理的研究發(fā)展卻較慢。直到兩步吸附機(jī)理的提出，復(fù)合電沉積機(jī)理的研究才有了新的突破。一般來說，復(fù)合鍍層的形成包括兩步吸附過程：第一步是弱吸附，即攜帶著離子與溶劑分子膜的微粒吸附在電極表面上；第二步為強(qiáng)吸附，即處于弱吸附狀態(tài)的微粒，脫去它所吸附的離子和溶劑化膜，與陰極表面直接接觸，形成不可逆的電化學(xué)吸附。目前，納米復(fù)合電沉積基本上沿用復(fù)合電沉積的機(jī)理，即兩步吸附機(jī)理。通過對Cu-Al2O3、Au-Al2O3納米復(fù)合鍍層所測得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在這2種體系中，Al2O3納米微粒的共沉積機(jī)理是相似的，可以分為兩步。其中，微粒表面上離子的還原是速度控制步驟，而且吸附的離子一旦在陰極表面發(fā)生電化學(xué)還原反應(yīng)，共沉積就會(huì)發(fā)生。這就更加證實(shí)了兩步吸附機(jī)理的重要性。雖然兩步吸附機(jī)理目前已為大家所認(rèn)同，但它還不能很好的預(yù)計(jì)納米復(fù)合電沉積過程中納米顆粒的復(fù)合量。工藝條件：電鍍工藝條件對納米復(fù)合鍍層性能的影響主要是對納米顆粒復(fù)合量和金屬沉積電流效率的影響。鍍層中第二分散相的含量能夠很好地反映出納米顆粒沉積與金屬沉積的情況。復(fù)合量的增加，可突出鍍層的一些特殊性質(zhì)，如硬度、耐磨和耐蝕性等。它要受許多因素的影響，如鍍液中分散相的濃度、電流密度、攪拌速度、溫度、有無分散劑及分散劑濃度等。GrecoV. P.等人選用粒徑為l5.4nm的TiO2 和30.8nm的Al2O3 作為分散相，制備了納米復(fù)合材料，并對工藝條件進(jìn)行了比較詳細(xì)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增加鍍層的分散相復(fù)合量最有效的方法是增大鍍液中分散相的濃度。攪拌強(qiáng)度與電流密度也都能影響鍍層復(fù)合量。一般來說，攪拌強(qiáng)度越大，復(fù)合量最大值出現(xiàn)時(shí)的電流密度也相應(yīng)變大，而且鍍液中微粒含量的增加導(dǎo)致了復(fù)合量最大值的增加。這就表明，鍍層中納米顆粒的復(fù)合量與把顆粒輸送到電極表面的能力有關(guān)，而且關(guān)鍵在于嚴(yán)格控制攪拌的狀況。通過旋轉(zhuǎn)圓盤電極研究Ni - Al2O3（32nm）納米復(fù)合材料的電沉積過程，發(fā)現(xiàn)在不同的電鍍液中，盡管鍍層中納米復(fù)合量與電流密度的變化趨勢不同，但電流效率都會(huì)隨電流密度的增大而上升。不同的電鍍體系也會(huì)影響鍍層中納米粒子的復(fù)合量。例如，許多類型的微粒容易與鎳共沉積，但采用常規(guī)的電鍍方法要使第二相粒子在酸性CuSO4 鍍液中與銅共沉積卻很難。如果采用反向脈沖電鍍法，選用酸性CuSO4鍍液體系，能成功的制備Cu-Al2O3（37nm）復(fù)合鍍層，而且鍍層中納米粒子的復(fù)合量高達(dá)18（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。這就說明反向脈沖電鍍法可能是一種提高鍍層復(fù)合量的方法，但它是否適用于其它納米復(fù)合電鍍體系還有待進(jìn)一步研究。具體實(shí)例：三價(jià)鉻超聲-脈沖電沉積Cr/SiC納米復(fù)合鍍層的制備工藝?yán)贸?脈沖電沉積法，在三價(jià)鉻鍍液中，添加羧酸鹽-尿素配合劑和SiC納米顆粒，制備了Cr/SiC復(fù)合鍍層。研究了超聲-脈沖工藝參數(shù)對納米SiC復(fù)合量、鍍層厚度的影響。利用電化學(xué)法分析了超聲波對三價(jià)鉻電沉積Cr/SiC復(fù)合鍍層的電化學(xué)行為。結(jié)果表明，超聲-脈沖作用均有利于基質(zhì)金屬鉻的電沉積，從而提高鍍層厚度及SiC復(fù)合量。利用SEM、XRD、和EDS分別對Cr/SiC復(fù)合鍍層的表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)和組成等進(jìn)行表征。結(jié)果表明，采用該技術(shù)可制備厚度為13.5m、SiC含量為5.5的Cr/SiC納米復(fù)合鍍層。表1 電沉積Cr/SiC納米復(fù)合鍍層的鍍液組成和工藝條件 具體工藝過程參照參考文件4。463納米復(fù)合鍍層的化學(xué)鍍法簡介：化學(xué)鍍適用于各種基體, 鍍層均勻, 且可達(dá)到任意厚度, 同時(shí)具有優(yōu)良的化學(xué)、 力學(xué)、 電學(xué)和磁學(xué)性能, 已得到廣泛應(yīng)用。納米材料具有小尺寸效應(yīng)、 表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn), 納米復(fù)合化學(xué)鍍層因之而具有優(yōu)異的耐蝕性、 耐磨性、 抗高溫氧化性及電催化性能化學(xué)鍍是一種新型的金屬表面處理技術(shù)，該技術(shù)以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關(guān)注。目前， 國內(nèi)外對納米復(fù)合化學(xué)鍍鎳的研究主要是在鍍液中添加非金屬單質(zhì)或化合物粉體納米粒子，如SiC，Al2O3，ZnO，CeO2，TiO2和金屬納米粒子等，制備的納米復(fù)合化學(xué)鍍鎳層硬度高，耐蝕性能也有所增強(qiáng)。4現(xiàn)階段納米復(fù)合鍍層的研究對象主要為Ni-P納米復(fù)合鍍層的化學(xué)鍍法，以下將主要介紹這一種工藝。機(jī)理：納米鍍層的化學(xué)鍍是一種不需要通電，依據(jù)氧化還原反應(yīng)原理，利用強(qiáng)還原劑在含有金屬離子的溶液中，將金屬離子還原成金屬而沉積在各種材料表面形成致密鍍層的方法。工藝條件：影響NiP納米復(fù)合化學(xué)鍍的因素有很多,主要包括鍍液的pH值、攪拌速度、納米粒子含量、表面活性劑、納米粒子在鍍液中的分散程度以及反應(yīng)溫度等。鍍液的 pH值和溫度均是影響復(fù)合化學(xué)鍍沉積速率的重要因素。pH值為7.07.5時(shí)沉積速率最快；升高溫度可以加快離子擴(kuò)散,增強(qiáng)反應(yīng)活性,因?yàn)榛瘜W(xué)鍍鎳反應(yīng)需要熱能,即在一定溫度下化學(xué)沉積反應(yīng)才能被啟動(dòng),化學(xué)鍍鎳催化反應(yīng)一般是在加熱條件下實(shí)現(xiàn)的。鍍液的pH值不僅對鍍速有影響,并且還會(huì)影響復(fù)合鍍層中Al2O3微粒的含量,這是由于pH值影響了鍍層中的應(yīng)力分布以及與基體的結(jié)合力:pH值過高,材料表面易鈍化,使鍍層與基材的結(jié)合力降低；pH值過低,鍍液的腐蝕性增強(qiáng),容易使材料表面被腐蝕,也導(dǎo)致兩者結(jié)合力降低。納米粒子具有很大的比表面積,自發(fā)性地減少其表面積時(shí)很容易團(tuán)聚, 要想獲得質(zhì)量優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層, 必須使納米粒子均勻地分散在鍍液中。利用超聲波分散可以得到納米粒子粒徑最小(20120nm)且均勻分布、組織性能較好的鍍層,添加表面活性劑可以使納米復(fù)合鍍層中納米粒子的含量增加,經(jīng)過熱處理后鍍層的硬度也較高。但超聲波分散法的成本相對較高, 使其大規(guī)模應(yīng)用受限制。將表面活性劑加入到鍍液中, 通過其濕潤和分散作用可以改善納米粒子的表面特性。表面活性劑的類型會(huì)影響鍍液中納米粒子的分散穩(wěn)定性,且其濃度對沉積速率也存在作用,有的表面活性 劑超 過一定的濃度時(shí),沉積速率會(huì)隨之下降,應(yīng)該選用合適的表面活性劑。添加十二烷基硫酸鈉表面活性劑,再進(jìn)行機(jī)械攪拌和超聲波分散,能使Al2O3 納米粒子達(dá)到好的分散效果,但操作比較繁瑣。具體實(shí)例：鎳-磷金納米粒子復(fù)合化學(xué)鍍層的研究在化學(xué)鍍鎳磷溶液中添加金納米粒子，在基體鋼鐵上沉積得到鎳-磷/金納米粒子復(fù)合鍍層。金納米粒子在鍍液中的濃度為1.0molL-1用掃描電子顯微鏡，能譜儀，示差掃描熱量分析儀，X-射線衍射儀，顯微硬度計(jì)等儀器對鍍層性能進(jìn)行了分析+通過EDS分析表明，Ni-P鍍層中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.72，而Ni-P/Au鍍層中P質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.29，金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.93。與鎳-磷合金鍍層相比，納米復(fù)合鍍層具有較高的硬度，并且鍍層組織致密，孔隙率小，對基體具有更好的保護(hù)作用。表2化學(xué)鍍?nèi)芤旱慕M成及參數(shù)在此基礎(chǔ)上添加已制備的金納米粒子，即可配制成納米復(fù)合鍍液，具體工藝過程參照參考文件7。784納米復(fù)合鍍層的電刷鍍法簡介：復(fù)合電刷鍍技術(shù)在刷鍍電源、刷鍍工藝以及理論研究等方面都取得了一定的進(jìn)展。在刷鍍電源方面，脈沖式刷鍍電源能夠改善鍍層結(jié)構(gòu)，獲得高純度、高致密度的鍍層。摩擦電噴鍍電源能夠邊刷鍍邊研磨，鍍層的應(yīng)力狀態(tài)有所改善。逆變式刷鍍電源可使電源重量減輕6080，更適用于野外搶修。在刷鍍工藝方面，刷鍍技術(shù)與其它表面工程技術(shù)復(fù)合運(yùn)用，是刷鍍工藝的一個(gè)重要的發(fā)展方向。復(fù)合并不都是兩種技術(shù)的簡單疊加，而是以最佳協(xié)同效益為目標(biāo)，獲得性能優(yōu)異的鍍層。電刷鍍技術(shù)與熱噴涂技術(shù)復(fù)合，能夠填堵噴涂層孔隙，降低表面粗糙度；電刷鍍技術(shù)與釬焊技術(shù)復(fù)合，解決了難釬焊金屬表面與兩種性能差異很大的金屬表面的釬焊難題；電刷鍍技術(shù)與離子注入技術(shù)復(fù)合，可進(jìn)一步提高鍍層的耐磨性；電刷鍍技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)復(fù)合，有望大幅度延長零件的使用壽命，使表面快速成型。在理論研究方面，有望用計(jì)算機(jī)程序模擬刷鍍層受力后的破壞過程，從而定量測量鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。納米顆粒的加入會(huì)給鍍層帶來很多優(yōu)異的性能。目前開發(fā)出來的納米復(fù)合鍍層主要是鎳基、鋅基和銀基復(fù)合鍍層。按照用途可分為：耐磨減摩納米復(fù)合鍍層、耐高溫納米復(fù)合鍍層、耐蝕納米復(fù)合鍍層和其它功能納米復(fù)合鍍層。復(fù)合刷鍍的共沉積機(jī)理：目前，復(fù)合電刷鍍工藝的共沉積機(jī)理尚未形成系統(tǒng)的、具有普遍性的理論和模型，在這方面的研究大多借鑒復(fù)合電鍍機(jī)理的研究成果雖然這兩者的沉積過程不盡相同，但都基于電化學(xué)科學(xué)的規(guī)律，借助于電鍍復(fù)FE專稿合電沉積的理論的研 究成果和研究手段，仍有助于探索復(fù)電刷鍍的共沉積過程和機(jī)理。關(guān)于復(fù)合電沉積機(jī)理，歸納起來有3種理論， 即吸附機(jī)理、力學(xué)機(jī)理和電化學(xué)機(jī)理。根據(jù)這幾種機(jī)理，人們建立了不同的模型來描述復(fù)合電沉積的過程。其中比較有代表性的是Guglielmi模型和運(yùn)動(dòng)軌跡模型。Guglielmi模型建立在電化學(xué)理論的基礎(chǔ)上，認(rèn)為復(fù)合電鍍過程經(jīng)過弱吸附和強(qiáng)吸附2個(gè)步驟。表面攜帶著離子與溶劑分子膜的微粒吸附在電極表面，這是粒子的弱吸附，粒子的弱吸附量比較大，只有 小部分弱吸附的微粒可以脫去所吸附的離子和溶劑化膜，與陰極表面直接接觸形成不可逆的電化學(xué)吸附，即強(qiáng)吸附步驟，這也是整個(gè)過程的速度控制步驟。處于 強(qiáng)吸附的粒子被沉積的金屬原子所包埋并嵌入鍍層。此理論以電化學(xué)原理為出發(fā)點(diǎn)，更有利于揭示復(fù)合電鍍的實(shí)質(zhì)，但此理論對于粒徑稍大的微粒(1m以上) 并不適用。運(yùn)動(dòng)軌跡模型則是從共沉積沉積過程中微粒所受各種力的角度來建立的模型。Fransaer等人運(yùn)用軌線方程分析微粒在液體流動(dòng)場中的運(yùn)動(dòng)，借助數(shù)字運(yùn)算求出微粒沖擊電極的速度，若微粒沖擊電極表面時(shí)受到的法向力大于切 向力，它可滯留于電極表面被金屬包埋。法向力和切向力的相對大小決定了微粒 滯留在電極表面的概率。此模型在公式的推導(dǎo)過程中設(shè)定的限制條件較多，難以適用于其他體系，此外該模型對外電場的作用考慮頗少，在應(yīng)用中的普遍性也因此受到了限制。綜合這些機(jī)理和模型，可以把微粒與金屬的共沉積過程劃分為以下3個(gè)步驟：(1) 微粒向電極表面附近區(qū)域傳遞的過程，通過攪拌或?qū)α鞯确绞綄腋∮阱円?中的微粒向陰極表面輸送。對鍍液的攪拌方式和強(qiáng)度將決定電極附近微粒的濃度，從而也會(huì)影響到鍍層中顆粒的含量。(2) 微粒吸附于電極上，這個(gè)過程有諸多因素對微粒與電極間作用力產(chǎn)生影響。微粒的特性及分散狀態(tài)、鍍液的成分和性質(zhì)、復(fù)合電刷鍍的工藝條件(包括電壓、 陰陽極相對運(yùn)動(dòng)速度、施鍍溫度等條件)都會(huì)對微粒的吸附有一定的影響。(3) 吸附于陰極上的微粒逐漸被不斷沉積結(jié)晶的金屬原子包埋，最終形成復(fù)合鍍層。這個(gè)過程要求微粒于陰極上的吸附足夠強(qiáng)，且能停留達(dá)到一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間在不同的工藝下有一定的差異。只有達(dá)到足夠的時(shí)間才有可能被沉積的金屬原子包埋直至微粒能牢固鑲嵌于鍍層中。影響這個(gè)步驟的因素主要有微粒的吸附強(qiáng)度、運(yùn)動(dòng)的鍍筆對吸咐態(tài)微粒的沖刷作用及金屬離子沉積的速度等。盡管已經(jīng)可以初步確定復(fù)合電刷鍍的沉積過程，但是由于電刷鍍自身的特點(diǎn)，到目前為止，復(fù)合刷鍍層的動(dòng)力學(xué)過程及其對鍍層生長情況的影響尚難以定量描述。此外，復(fù)合微粒的種類、微粒的粒徑大小、鍍液中微粒含量、鍍液組成、流體力學(xué) 參數(shù)等因素對復(fù)合電刷鍍機(jī)理有直接影響，但目前的反應(yīng)機(jī)理尚難全面、準(zhǔn)確地反映這些參數(shù)與反應(yīng)機(jī)理間的關(guān)系。因此，必須指出的是，以上的沉積過程只是根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)理理論提出的，由于各理論研究共沉積過程的角度不同，其中的某種理論只能對共沉積過程中的某些現(xiàn)象給予較好的解釋。至于普遍適用于各種復(fù)合刷鍍體系的復(fù)合電刷鍍共沉積機(jī)理還需進(jìn)行更加深入的研究。910參考文獻(xiàn)1 周細(xì)應(yīng) 陳霏霏 林文松 錢士強(qiáng). 納米復(fù)合鍍層工藝及性能研究. 上海工程技術(shù)大學(xué)材料工程學(xué)院，2004(7). 2 蔣斌 徐濱士 董世運(yùn) 王紅美. 納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀. 重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2002(6).3 亓新華 彭峰 王紅娟. 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