應(yīng)用化學(xué)外文文獻翻譯

1、中原工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）譯文畢業(yè)設(shè)計（論文）譯文題目名稱：槍色電鍍工藝的研究院系名稱：材料與化工學(xué)院班 級：應(yīng)用化學(xué)072一種新型的粒徑尺寸呈梯度分布的電解沉積的納米結(jié)構(gòu)鎳鍍層liyuan qin, jiying xu, jianshe lian *, zhonghao jiang, qing jiangkey lab of automobile materials, ministry of education, college of materials science and engineering, jilin university, nanling campus, changchun,

2、 130025, china摘要在直流電解沉積中，隨著粒度細化劑糖精的濃度逐漸增加，薄鋼板作為沉積基底得到具有納米結(jié)構(gòu)的鎳鍍層，其顆粒尺寸呈梯度分布。x-射線衍射分析表明隨著糖精含量增加，沉積的優(yōu)先方位從200晶面變成111晶面。 透射電鏡照片可以看到粒徑由表面層的22nm變到鍍層和基底的界面附近的586nm。nacl溶液中的電化學(xué)性能測試、硬度和彎曲測試結(jié)果表明在同一基底上粒徑呈梯度分布的鍍層比粒徑均勻的鍍層有更高的硬度、更好的抗腐蝕性能且與基底有更強的結(jié)合力。1引言由于納米結(jié)構(gòu)材料與常見的大尺寸顆粒材料相比，具有獨特的化學(xué)與機械性能，因此其研究是科學(xué)與工業(yè)團體的焦點1-4。這些材料大部分被

3、用來作為工程基地的表面涂層。在包含熱學(xué)表面耐磨與耐腐蝕性能以及電子學(xué)應(yīng)用中，由于表面涂層與基底間性質(zhì)的差異而導(dǎo)致壓力集中而造成界面處的結(jié)合不佳。解決這個問題的一個可能辦法是采用斜晶材料，一種可以延長材料使用壽命的材料5-7。斜晶型材料可以提供一種改進材料性質(zhì)的方法，因為他的性質(zhì)會依據(jù)合成物而改變，結(jié)構(gòu)也會由內(nèi)到外的發(fā)生改變。 所以滿足更高要求的關(guān)鍵是用一種簡單方法制造一種理想的材料。電沉積技術(shù)是一種有用而通用的制造納米金屬的方法8-9。一些納米金屬例如鎳3,10，銅4,11，鈷2等以經(jīng)被制造出來了而且被用于研究微結(jié)構(gòu)金屬的力學(xué)性能和變形機理。此外，不同的粒徑可以通過向電解液中加入不同量的顆粒提

4、純劑如糖精，檸檬酸鈉來獲得12。早期研究表明：微結(jié)構(gòu)金屬的機械性能，熱穩(wěn)定性，摩擦性能，耐腐蝕性等受粒徑與成分的影響非常大4,7,13-14。然而，并沒有報道說制造納米結(jié)構(gòu)金屬時通過在電沉積過程中向電解液中加入不同濃度的糖精可以使粒徑由常見晶型向納米晶型轉(zhuǎn)變。 在我們的前期工作中，通過在直流電鍍的電解液中加入2-丁炔基-1,4-二醇（作為結(jié)晶劑）而制造出一種層狀納米鎳15。這種層狀納米鎳由細微的納米尺寸顆粒交替層狀物構(gòu)成。因此這種材料的強度和延展性處于微晶粒鎳和納米鎳之間，在目前的研究中，一個粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層是為了使基底獲得一個具有高表面硬度，良好的內(nèi)部延展性，良好的結(jié)合性能以及更好

5、的耐腐蝕性能的保護層。其通過在直流電鍍電鍍液中調(diào)節(jié)細晶劑的含量來獲得顯微結(jié)構(gòu)（投射電子顯微鏡和x射線衍射觀察），硬度，耐腐蝕性，結(jié)合能力與粒徑均勻的納米鎳鍍層對此比而得到研究。2實驗步驟 2.1基底材料的準備 基底材料采用的是薄鋼板（c1008,aisi），所有的基底都用粒度為2000的sic砂紙打磨以獲得均勻的表面。打磨后。基底用三氯乙烯洗滌除去表面泥污或油脂并用去離子水漂洗，然后基底用甲苯和丙酮在超聲波中除油5分鐘。早0.1mol/l的hcl溶液中酸洗1分鐘后在流動的水中徹底沖洗，最后用去離子水漂洗除去所有的洗滌液，在用去離子水漂洗后，鋼基底放入電鍍液中來進行電鍍鎳鍍層。 2.2粒徑呈梯度

6、分布的鎳鍍層的制備 鍍在鋼基底上的納米鍍層是在改進后的瓦特液中用直流電電鍍的。改進的瓦特液由niso4,nicl2,nacl，h3bo4構(gòu)成，工作ph為5.0，溫度為50，直流電流密度為2a/dm2.粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層的沉積條件與納米鎳鍍層的電鍍條件相同。除了間歇的向電鍍液中加入細晶劑。首先，加入0.15g/l的作為細晶劑的糖精，然后每19min向電鍍液中加入一定量的糖精以保證電鍍液中的糖精含量分別為0.3g/l，0.45g/l,0.55g/l,0.65g/l,0.75g/l,0.85g/l,0.95g/l，在電鍍152min之后，粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層的厚度大約為50m。另一以鍍

7、層厚度達到300m的粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層可以通過沒120min補加糖精的方法制得。在這個過程中可以通過使用紫外-可見分光光度計（725pc）來檢查鍍液中糖精的濃度。陽極是純鎳片。為了對比，分別在糖精含量為0.95g/l（與粒徑梯度分布納米鎳鍍層表面層鍍層糖精濃度相同）鍍出了50m和300m厚的粒徑均勻的納米鎳鍍層。 2.3鍍層特性（表征） 分別使用cu-k x射線衍射儀（xrd，rigakudymax，japan）和50kv，300ma，掃描速率和梯度分布分別為4/min和0.02的單色儀來研究結(jié)晶結(jié)構(gòu)。掃描范圍從30到110。為了進行x射線衍射，幾個樣品與300m厚的粒徑梯度分布的納米

8、鎳鍍層一起放入電鍍液中，這些樣品以與糖精濃度相應(yīng)的按一定順序以不同的時間間隔從電鍍液中取出。使用掃描電子顯微鏡來觀察鍍層的表面和截斷面形態(tài)。樣品在掃描電子顯微鏡掃描觀察前使用10%硝酸/酒精容液浸蝕40min，靠近基底的內(nèi)層鍍層通過上述的與鍍內(nèi)層時糖精濃度一致時的鍍片樣品來觀察。典型的內(nèi)層梯度層使用掃描電子透鏡（tem，h-800）來觀察期圍觀結(jié)構(gòu)。不同糖精濃度下的梯度層可以通過打磨300m鍍層的其它部分來來展露出來。 微粒呈梯度分布的納米鎳的硬度可以用帶維氏硬度計壓頭的hxd-1000維氏顯微硬度計在200g負載下保持15秒來測試。鍍層在相應(yīng)的糖精濃度下的梯度層可以通過有順序的磨去300m厚

9、鍍層的上一層來顯露出來。在鍍層表面5個不同的地方測試，測試值取平均值。 使用電化學(xué)工作站（lanlike,tianjin，china）的電化學(xué)測試技術(shù)來測定鍍層的耐腐蝕性和可能的惰性。使用機器來裁制2cm2cm的50m厚鍍層樣品，在室溫下以3%nacl水溶液為電解液，pt電極為對電極，ag/agcl電極為參比電極，在三電極電解池中進行線性伏安掃描。工作電極和樣品在電化學(xué)測定前，在丙酮中用超聲波洗凈，在去離子水中漂洗。然后鍍層樣品用涂漆遮蓋，留出1cm2暴露在電解液中，在進行電化學(xué)測試之前，鍍片放入電解液中靜置10min以獲得穩(wěn)定的開路電位。每次測試掃描速率為50mv/min。腐蝕電流密度可以由

10、陰極和陽極的極化曲線與陰極陽極塔菲爾曲線的交點算出。 由于界面脫落會造成鍍層而使鍍層失去作用，鍍層與基底間的結(jié)合力尤為重要。使用mts-810系統(tǒng)在室溫下以一個低的彎曲速率做三點彎曲試驗來對粒度梯度分布的納米鎳鍍層和粒度均勻的納米鎳鍍層的機械性能進行測試，樣品的尺寸為8cm1.0cm鍍層厚度為300m以減少基底的影響。兩個支撐點的間距為5.5cm。3結(jié)果與討論 3.1鍍層的微觀結(jié)構(gòu)與形態(tài) 不同糖精濃度所對應(yīng)的四個典型的梯度層的x-射線圖在圖1中給出。可以看到所有的樣品都清晰地顯示出了鎳的衍射峰，其可以用fcc指示出來。此外，還可以看出優(yōu)先沉積晶面隨著糖精濃度的變化而變化。當(dāng)糖精濃度增加時，（2

11、00）晶面得衍射強度降低而（111）晶面得衍射強度增加且變成主要峰。這種優(yōu)先晶面的改變有可能是由不同增長位面的表面能引起的16。而不同的表面能卻是由 在電鍍過程中向電鍍液中加入的糖精引起的。衍射峰保持恒定表示晶格參數(shù)并未隨著糖精濃度的增加而改變。然而，卻可以觀察到衍射峰的變寬，這可以歸結(jié)于晶格缺陷，例如由于小粒徑和微張力而造成的顆粒邊界的增長17。圖1 糖精濃度為（a）0.3g/l、（b）0.45g/l、（c）0.65g/l、（d）0.95g/l的典型的梯度層的xrd圖（fig. 1. the xrd patterns of representative gradient layers wit

12、h saccharin concentrations:(a) 0.3 g/l, (b) 0.45 g/l, (c) 0.65 g/l, (d) 0.95 g/l.） 厚度為300m的粒徑梯度分布的納米鍍層的截面微觀結(jié)構(gòu)在圖2中給出。對于300m厚的鍍層，粒徑梯度分布的鍍層的微觀結(jié)構(gòu)可以由圖2（b）中的橫斷面低倍放大圖顯示。圖（c）分別是表層鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和靠近基底的內(nèi)層鍍層的微觀結(jié)構(gòu)圖片。宏觀上，外表鍍層在形態(tài)上呈現(xiàn)出平坦且光亮的外表18。外表鍍層的晶體結(jié)構(gòu)非常好，致密且在圖片上無法看到。然而，內(nèi)層靠近基底上的內(nèi)層晶體由粗糙的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成。他的結(jié)構(gòu)與基底相類似且可以清楚地看到。圖2（c）和圖2

13、（d）是糖精濃度為0.95 g/l的顆粒均勻的鍍層的截面和表面形態(tài)。鍍層厚度為50m。圖2（e）中顯示的納米晶體結(jié)構(gòu)的表面形態(tài)與圖2（b）中所顯示的幾乎一樣，它的表面細節(jié)不可能從圖片上看出。它的橫斷面形態(tài)從外層到內(nèi)層均是致密，均勻的且其橫斷面的微觀結(jié)構(gòu)即使在高倍放大下也沒有什么不同（圖2（f）。從圖2（a）中可以看到一個非常有趣的現(xiàn)象：梯度沉積物與基底呈現(xiàn)出良好的結(jié)合，并沒有明顯的界面。這是由于靠近基底的梯度層的粗糙晶體結(jié)構(gòu)造成的。而對于粒徑均勻的鍍層（圖2（d）和（f）在界面的兩側(cè) 在微結(jié)構(gòu)上卻迥然不同,而造成了明顯的界面。圖2 gsg鎳鍍層的截面圖（a）、相應(yīng)的表面鍍層形態(tài)圖（b）、靠近基

14、底的內(nèi)層鍍層形態(tài)圖（c）、粒徑均勻的納米鎳鍍層（糖精濃度為0.95g/l）的截面圖（d）、其相應(yīng)的表層鍍層形態(tài)圖（e）及截面的高倍放大圖（f）（fig. 2. the cross-section morphology of gsg ns ni coating (a), its corresponding outer surface morphology (b) and inner surface morphology near the substrate (c); the cross-sectionmorphology of uniform grain size ns ni coating (

15、saccharin concentration of 0.95 g/l) (d), its corresponding surface morphology (e) and high-magnification cross-section image (f).） 采用透射電子顯微鏡直接觀察來檢查典型梯度層晶體尺寸和結(jié)構(gòu)。圖3（a）（b）（c）（d）顯示了四種不同糖精濃度下典型的梯度層的透射電子顯微鏡圖。測量的平均粒徑大約為586nm，393nm，93nm和22nm，也就是說隨著電鍍液糖精濃度的升高顆粒尺寸降低12,19-20。粒徑的變化包括了上述x-射線衍射的衍射峰變寬。3.2鍍層的微硬度 不

16、同糖精濃度下梯度層的微硬度顯示在圖4中。硬度值從靠近基底的內(nèi)層的1.9gpa增加到外表層鍍層的6.0gpa。這歸結(jié)于隨著糖精濃度的增加，顆粒尺寸從微米級或幾百納米降到22nm。圖4表示硬度對顆粒半徑的平方根的倒數(shù)作圖。這可以看作為hall-detch關(guān)系式（hv（gpa）=2.21+19.2d1/2）其精確值達到20-30nm。有報道說粒徑為10-25nm的納米鎳硬度為4.9gpa-6.37gpa?，F(xiàn)在研究的結(jié)果支持了這個觀點。圖3 糖精濃度為（a）0.3g/l、（b）0.45g/l、（c）0.65g/l、（d）0.95g/l的典型的梯度層的tem圖（fig. 3. tem images of

17、 representative gradient layers of gsg ni coating with saccharin concentrations: (a) 0.3 g/l, (b) 0.45 g/l, (c) 0.65 g/l, (d) 0.95 g/l.）圖4 gsg納米鎳鍍層的微硬度在厚度方向上的變化圖 插圖表示硬度與粒徑平方根的關(guān)系圖（fig. 4. microhardness change of gsg ns ni coating in the thickness direction of deposit.the inset shows the hardness depe

18、ndence on reciprocal square root of grain size.）3.3鍍層的耐腐蝕性能 圖5是在室溫下以3%nacl溶液為電解液的基底（a）、粒徑均勻的納米鎳鍍層（b）、粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層（c）的塔菲爾曲線。為了對比，粒徑均勻的納米鎳鍍層與粒徑層梯度分布的納米鎳有相同的厚度（約為50m）。從塔菲爾曲線上得到的樣品的腐蝕電位和腐蝕電流密度列在表1中。從圖5中可以看出，在極化曲線中陰極反應(yīng)與氫的演變一致。陽極極化曲線是關(guān)系到鍍層耐腐蝕性的最重要特征21-22。盡管從圖上觀察的基底的陽極平衡電流與粒徑均勻的納米鎳鍍層和粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層相似，但鐵（-0

19、.44v）和鎳（-0.25v）的平衡電勢卻不同，與基底相比，粒徑均勻的納米鎳鍍層和粒徑梯度分布的納米鎳鍍層的耐腐蝕電位和平衡電勢發(fā)生了明顯變化。此外，還可以明顯的看到粒徑均勻的納米鎳鍍和粒徑梯度分布的納米鎳鍍層的腐蝕電流密度明顯下降。眾所周知，粒徑均勻的納米鎳鍍層的耐腐蝕性能有了明顯提升。然后，由圖5和表1中的有用信息可以清楚地知道粒徑梯度分布的納米鎳鍍層（-0.913v）比粒徑均勻的納米鎳鍍層（-0.984v）擁有更正的腐蝕電位。腐蝕電流密度從基底的39.93a/m2驟降到粒徑梯度分布的納米鎳鍍層的6.39a/m2。此外，粒徑梯度分布的納米鎳鍍層的極化曲線表明陽極鈍化電位在-0.421v到-

20、0.173v間，說明一種大約降低129.6a/m2的腐蝕電流密度的鈍化膜在表面上形成。當(dāng)電壓比-0.173v更正，鈍化膜就會被破壞，同時鍍層中的鎳也溶解。粒徑均勻的鍍層在-0.501v和-0.34v間有一個小的鈍化平衡，其腐蝕電流密度為382.9a/m2。因此，粒徑梯度分布均勻的納米鎳鍍層的耐腐蝕性預(yù)期會比粒徑均勻的鍍層好。盡管后者對基底來說是一種有效的耐腐蝕性鍍層。圖5 在3%的nacl水溶液中基底（a）、粒徑均勻的納米鎳鍍層（b）、gsg納米鎳鍍層的塔菲爾圖表1 在3%的nacl水溶液中觀察到的腐蝕電位和腐蝕電流密度數(shù)值3.4鍍層的機械性能 圖6顯示的是彎曲試驗的圖表。粒徑均勻的鍍層的硬度

21、與粒徑梯度分布的鍍層一樣。在彎曲試驗中第一步是三點彎曲試驗（圖6（a），第二步是壓力試驗（圖6（b），在第一步實驗中粒徑梯度分布鍍層和粒徑均勻鍍層的彎曲角度都大于90，在第一步實驗后兩個樣品沒有明顯區(qū)別。在第二步中兩個樣品都被進一步壓彎。圖7表示實驗樣品在經(jīng)過兩步實驗后，粒徑梯度分布的納米鎳鍍層（a）和粒徑均勻的納米鎳鍍層（b）?？梢钥闯鰪澢^180后粒徑梯度分布的納米鎳鍍層與基底粘合仍然緊密且鍍層表面并未發(fā)生斷裂（圖7（a）。然后粒徑均勻的納米鎳鍍層在彎曲超過180后發(fā)生斷裂并與基底分離（圖7（b）。由此在表面張力相同的條件下，粒徑梯度分布的鍍層比粒徑均勻的鍍層擁有更好的結(jié)合力與韌性。這是

22、由于粒徑梯度分布的鍍層與基底相連的一層有叫大的粒徑。鍍層與基底相近，表現(xiàn)出了較小的張力卻擁有較高的韌性。由于機械性能的差異，從基底到鍍層表面張力逐漸增加但內(nèi)應(yīng)力卻降到一個最小值7。因此，使用電鍍得到的優(yōu)良梯度納米鍍層可以用來降低內(nèi)應(yīng)力。目前研究表明，即使鍍件在表面上不受影響，但其在高的張應(yīng)力作用下其疲勞使用壽命會降低，因此納米材料在工業(yè)上就顯得尤為重要23。在工業(yè)上粒徑梯度分布的納米鎳鍍層因其超凡的性能而改變設(shè)備的機械性能和使用壽命就顯得合理了。圖6 在彎曲測試中三點彎曲試驗（a）和加壓試驗（b）原理圖（fig. 6. schematic illustrations for three-poi

23、nt bend (a), extrusion equipment (b) in bend test.）圖7 彎曲測試后的樣本圖：（a）gsg鍍層 （b）粒徑均勻鍍層 （fig. 7. typical specimens after bend test: (a) substrate with the gsg coating, (b) substratewith the uniform grain size coating.）4結(jié)論通過在電鍍過程中增加純晶劑糖精的濃度可以得到一種新型的粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層。鍍層中顆粒尺寸從接近基底的幾百納米降到鍍層表面的大約22nm，隨著晶粒的逐漸細化，可以

24、看到從1.96gpa到鍍層表面的6.0gpa的硬度梯度層。彎曲測試與電化學(xué)性能測試表明與粒徑均勻的納米鎳鍍層相比，粒徑呈梯度分布的納米鎳鍍層有著超凡的結(jié)合力，良好的韌性，優(yōu)異的耐腐蝕性能。如此高性能的力度梯度鍍層可能會擴大納米結(jié)構(gòu)和納米晶體在功能材料上的應(yīng)用。致謝 這項工作得到國家關(guān)鍵基礎(chǔ)研究和發(fā)展項目基金（no.2004cb619301）、國家自然基金（no.50771049）和吉林大學(xué)985汽車工程的支持。作者還要感謝吉林大學(xué)習(xí)虛生教授在樣品準備方面給予的建議。參考文獻1 h. gleiter, acta mater. 48 (2000) 1.2 g. hibbard, k.t. aust

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