1、兰州理工大学本科毕业论文毕业论文直流电沉积 Cu-纳米 Al2O3复合镀层及其性能研究 兰州理工大学本科毕业论文I摘 要综述了直流电沉积 Cu-纳米 Al2O3 复合电镀的共沉积机理，及其工艺的环境和各项要求指标。提出了 Cu-纳米和 Al2O3 复合时所面临的问题及其解决办法。并对纳米复合镀的发展前景进行了展望 ,并提出了有待深入研究的一些问题。实验研究了直流电沉积 Cu-纳米 Al2O3 复合电镀的工艺和性能，重点研究直流电沉积 Cu-纳米 Al2O3 复合镀层的耐腐蚀性，硬度性能，地质形貌等。从而了解复合镀层的优点，运用到人们的生活中。关键词: Cu ，纳米 Al2O3, 直流电沉积，腐
2、蚀，硬度兰州理工大学本科毕业论文IIABSTRACTSummary of the deposition of DC Cu-nano-Al2O3 composite coating of the co-deposition mechanism, and process indicators of the environment and the requirements. A Cu-nano-Al2O3 composite face of the problems and solutions. And the development of nano-composite plating prospe
3、ct, and in-depth study be made of some problems.Experimental Study on the deposition of DC Cu-nano-Al2O3 process and performance, focuses on the deposition of DC Cu-nano-Al2O3 composite coating corrosion resistance, hardness of performance, such as geological topography. To understand the advantages
4、 of composite coatings, applied to peoples lives.Key words: Cu, nano-Al2O3, DC deposition, corrosion, hardness兰州理工大学本科毕业论文III目录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 前 言 .11.1 纳米复合技术 .11.2 Cu，AL 2O3 的基本情况及其复合电镀时所面临的团聚问题 .81.2.1 Cu 的基本特性 .81.2.2 Al2O3 的基本特征 .91.2.3 它们复合所面临的问题 .91.3 试验方法的基本原理 .91.3.1 直流电镀 .91.3.2 复合镀层
5、的沉积机理 .101.3.3 酸性镀铜 .111.4 纳米复合镀层团聚现象的分散稳定机理及其解决方案 .111.4.1 分散稳定机理 .111.4.2 团聚解决方案 .121.5 镀液成分和工艺规范的影响 .141.6 前言总结 .15第二章 实验部分 .162.1 复合电沉积镀液选择及钢件镀前处理 .162.2 实验仪器及材料 .162.3 实验过程 .172.3.1 钢片镀前处理实验 .172.3.2 渡液的配制 .182.3.3 直流电沉积 Cu-纳米 Al2O3 复合镀层及实验方案的设定 .192.4 表面活性剂的选择 .212.4.1 表面活性剂在水中的分散效果 .21兰州理工大学本
6、科毕业论文IV2.4.2 表面活性剂在渡液中的分散效果 .212.5 性能分析实验 .212.5.1 Cu-纳米 Al2O3 复合镀层硬度检测 .212.5.2 Cu-纳米 Al2O3 复合镀层表面形貌观察及物相分析 .222.5.3 Cu-纳米 Al2O3 复合镀层耐腐蚀性能研究实验 .22第三章 结果与讨论 .233.1 分散剂种类和用量范围的确定 .233.2 硬度分析及最优工艺 .263.3 照射金相和 X 射线及照片分析 .293.3.1 金相图分析 .293.3.2 X 衍射图分析 .313.4 耐腐蚀性能分析 .31第四章 结论与展望 .344.1 结论： .344.2 发展前景
7、 .344.3 所面临的问题 .354.4 结语 .35参考文献 .36附录 1 英文原文文献 .43附录 2 英文文献翻译 .51致谢信 .66兰州理工大学本科毕业论文1第一章 前 言复合镀层是通过金属沉积的方法 ,将一种或数种不溶性的固体颗粒均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层 ,这些不溶性的颗粒通常是 SiC、SiO Al2O3 、及金刚石等微米级的颗粒。近年来 ,研究发现具有优异特性的纳米微粒材料加入镀液中得到的复合镀层具有更优异的性能。将加入镀液的第二相粒子纳米化 ,则能使它们均匀的悬浮在镀液中 ,改善颗粒分布的均匀性 ,并且纳米化后的颗粒由于其表面效应、体积效应、量子尺寸效应等会
8、给复合镀层带来更优化的性能 。研究表明 ,采用复合沉积方法 ,在镀液中加入纳米级固体粒子 ,使金属与纳米粒子共沉积形成的纳米复合镀层可用于防护性、功能性以及结构材料。这种方法即纳米复合镀技术 ,其具有成本低和表面性能优越等优点 ,不仅是表面处理新技术 ,也是零件再制造的关键技术 ,还是制造金属陶瓷材料的新方法 。1.1 纳米复合技术纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或它们作为基本单元构成的材料。由于量子尺寸效应、小尺寸效应、表面界面效应、量子隧道效应等，使纳米材料在力学性能、电学性能、磁学性能、热学性能等方面与传统的固体材料有许多不同的特殊性质，成为当今材料科学的前沿和一个开拓
9、性的新领域，有着极为广泛的应用前景 1-2。表面工程是 21 世纪工业发展的关键技术之一，是先进制造技术的重要组成部分。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它的最大优势是能够以多种方法制备优于本体材料性能的表面功能涂层，赋予零件防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能。将纳米材料与传统的表面涂层技术相结合，可得到纳米复合涂层。纳米复合涂层是由两相或两相以上的固态物质组成的薄膜材料，其中至少有一相是纳米相，其他相可以是纳米相，也可以是非纳米相。纳米复合层集中了纳米材料的优异特性，因而具有更好的性能，可以在更广阔的领域应用。1.1.1 纳米复合镀技术纳米复合镀技术即利用电沉积或化学沉积
10、的方法，将含有均匀悬浮纳米微粒的兰州理工大学本科毕业论文2镀液沉积在基体上，同时，纳米微粒也被均匀地分布在镀层中 3。纳米复合镀技术是将纳米微粒镶嵌于金属镀层中，使纳米微粒与金属离子共沉积的过程。将纳米独特的物理及化学性能赋予金属镀层，是纳米材料技术和复合镀技术的完美结合。镀层有以下特点：( 1 )由纳米量级纳米微粒与基质金属组成的复合镀层，具有两者的优点，是镀层的性能发生巨变。( 2 )纳米微粒与基质金属共沉积过程中，纳米微粒的存在将影响电结晶过程，使基质金属的晶粒大为细化，使基质金属的晶粒成为纳米晶。纳米复合镀层通常表现出很多优异性能，如硬度，耐磨性，耐腐蚀性和润湿性等，其影响因素主要有微
11、粒表面的有效电流密度，微粒的尺寸和形状，电流密度，搅拌速度，镀液类型，添加剂，工艺参数，极化度等。( 3 )我们所研究的铜与三氧化二铝复合镀层，期望的性能主要是增加了镀件的耐磨性，硬度，耐腐蚀性等。纳米复合镀技术包括纳米电刷镀技术、纳米电镀技术和纳米化学镀技术。（1）电刷镀电刷镀技术是以与直流电源阳极相接的镀笔在一定的速度和压力下将镀液沉积在直流电源负极相接的工件上而形成镀层。电刷镀技术是表面工程技术的重要组成部分，具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快、镀层种类多等一系列优点，被广泛应用于机械零件、表面修复与强化。在镀液中加人纳米微粒，并使其与金属离子共沉积，所得到的纳米复合镀层，可使复合电刷镀
12、技术在耐磨领域呈现出更强大的生命力。在纳米电刷镀的过程中 4-5，表面活性剂用量对纳米微粒在镀液中分散的影响，随着表面活性剂用量的增大，纳米微粒在镀液中的分散效果得到显著提高，镀层硬度也明显提高，摩擦因数减小，耐磨性提高; 龙堂等人 6-8研究了表面活性剂用量对纳米微粒在镀液中分散的影响，随着表面活性剂用量的增大，纳米微粒在镀液中的兰州理工大学本科毕业论文3分散效果得到显著提高，镀层硬度也明显提高，摩擦因数减小，耐磨性提高。对纳米微粒的裹镍处理，将纳米微粒进行导电化处理，使其与基质金属共沉积来提高其在镀层中的含量和分布的均匀性，从而提高了复合镀层的硬度、耐腐蚀性和耐高温氧化性能。( 2 )化学
13、镀化学镀是指不需要电源而依靠镀液中还原剂的催化作用使金属离子还原成金属镀层的工艺。将纳米尺寸的不溶性微粒加人镀液中，并使其均匀悬浮在镀层中，将这些不溶性固体微粒与镀层金属一起沉积在工件表面而获得纳米复合镀层。由于纳米材料的优异特性，使得复合镀层的性能有了极大提高。蔡莲淑等 9研究了在 Ni 一 P 镀液中加人纳米 SiC 微粒，结果表明，经过超声分散、充分润湿后的纳米 SiC 微粒对镀层的性能有很大的影响，尤其是镀层在经过退火处理后，硬度更高。（3）纳米电镀技术将纳米材料用于电镀技术中，由于纳米材料的特殊性质，所得的复合镀层将会有更好的性能。合电镀中纳米微粒用量、分散剂、分散方法、pH 值、电
14、流密度、施镀条件等因素对镀层的影响，采用阴离子表面活性剂结合超声分散方法分散纳米微粒效果好，所得镀层的均匀性和外观达到最好。郑筱梅等 10 研究复合电镀中纳米微粒用量、分散剂、分散方法、pH 值、电流密度、施镀条件等因素对镀层的影响，采用阴离子表面活性剂结合超声分散方法分散纳米微粒效果好，所得镀层的均匀性和外观达到最好。Zhou11利用电沉积制备了 Ni-TiO2 纳米复合涂层，在相同条件下，将纳米复合涂层与传统涂层的光活性进行对比，发现纳米复合涂层的光化学性质更优异。纳米复合镀技术在制备高硬度、高耐磨、高腐蚀等复合涂层方面有明显的优势，但由于复合镀技术本身的限制即对纳米材料认识的不完全，使得
15、复合镀技术在很多方面如镀液、工艺、形成机理等都有待于进一步研究。兰州理工大学本科毕业论文41.1.2 纳米复合镀的性能（1） 力学性能纳米粒子的加人对于传统涂层力学性能有很大的改善。纳米微粒作为弥散相分布在涂层中，增强了涂层与基体间的结合，提高了涂层的耐磨性。纳米 TiO2 分散在Ni 一 P 镀液中利用化学镀制备的纳米复合镀层，镀层的硬度大于 800HV，硬度的增加提高了镀层的高温抗氧化能力。利用电沉积的方法，将纳米 Ni 微粒加入到 SIC 中，在纳米微粒添加到 3%时，复合涂层的显微硬度较传统涂层提高了 2 倍12。电刷镀技术制得的 13纳米 SiO2/Ni 复合涂层的抗疲劳性得到很大的
16、提高，在不同的作用力下，纳米复合涂层的抗疲劳性能都比未添加纳米微粒时增加;经过退火处理后，涂层的抗疲劳程度更高。张而耕等人 14向 PPS 中分别加人纳米级 5102 和微米级 5100， ，对两种复合涂层的力学性能进行了对比。结果表明，纳米复合涂层的附着力和耐冲击性都较微米级粒子的好，耐冲蚀磨损性能也有很大的提高，约为普通涂层的 26 倍，冲蚀磨损后涂层表面较为光滑，无裂纹和凹坑。将改性的纳米微粒加入热处理过的聚合物中，由于聚合物结晶度的改变及改性纳米微粒的作用，提高了纳米复合涂层的耐冲击性和热稳定性 15。（2） 光、电、磁学性能无机材料 TiO2、等具有很强的光催化功能，可利用紫外线或日
17、光将有机物氧化为 CO2 和水。将纳米 TiO2 添加于涂料中，制成光催化涂料，利用阳光分解环境污染物，达到减少污染、保护环境的目的。利用 TiO2 的透明性、紫外线吸收性，将纳米TiO2 金属闪光材料与铝粉颜料或珠光颜料等混合用在涂料中，能产生随角异色效应，可制作汽车金属闪光面漆，这种漆还具有极强的附着力和耐酸碱性能，在高档汽车涂料、商标印刷油墨、特种建筑涂料等具有很大的应用市场 16。兰州理工大学本科毕业论文5纳米金属微粒具有较大的比表面，而且具有较好的吸收电磁波的特性，利用这个特性可以开发纳米隐身涂料。纳米磁性材料特别是类似铁氧体的纳米磁性材料加人涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸
18、收和耗散红外线的性能，加之相对密度小，在隐身方面的应用有明显的优越性。采用单磁畴针状微粒制备的纳米复合涂层，具有单磁畴结构，高矫顽力，用它做磁性记录材料可以提高记录密度，提高信噪比。（3）环境的适应性纳米复合涂层可以提高底材耐腐蚀性。骆心怡 17用电沉积法制备 CeO2/Zn 纳米复合涂层，纳米 CeO2 微粒增加了成核点，导致了涂层的致密化，涂层更加均匀，提高了涂层的耐腐蚀性能。岳美娥 18研究了 LaF 微粒对粘结固体润滑涂层耐磨及耐腐蚀性能的影响，具有很高表面活性的纳米 LaF3 在基体中均匀分散，而且与底材及其他填料之间产生了较强的接口相互作用，提高了涂层的机械强度和硬度，减弱了涂层的
19、微观裂纹，使得涂层的耐磨和耐腐蚀性提高。PanTa 19研究了化学镀 Ni-P 复合镀层的耐腐蚀性，在盐水和 HZS 溶液中测试复合涂层的失质量，结果表明，纳米微粒的存在，使得复合镀层的耐腐蚀性增加;同时，纳米复合镀层的表面能低于 Ni-P涂层，基体的结晶化减小，纳米镀层的抗高温氧化性增强。纳米微粒由于其良好的吸收紫外光、反射红外光的功能，当把其加人涂料中时，可显著降低由于 UV 照射而造成的颜色衰减，大大提高涂料的耐老化性能。加人纳米 TiO2 的乳胶漆的耐老化时间提高到 1000h 以上。不同乳液和纳米 TiO2 配伍产生的耐老化性能 2 同，含纳米TiO2:纯丙乳液涂料的耐候性比含纳米 TiO2 硅丙乳液涂料的耐候性高 20。纳米 TiO2在光照下具有超双亲性，利用这个性质，可应用于高层建筑大厦、运输工具等的窗玻璃、挡风玻璃的后视镜、浴室镜子、眼镜片、测量仪器的玻璃表面，使之具有自洁和防污、防雾等效果。另外用于轮船等表面可减少摩擦阻力(10%一 15%)，节约能源并提高航行速度。纳米复合镀层按照功能可分为光催化活性的纳米复合镀层、高硬度耐腐蚀的纳米复合镀层、自润滑性能的纳米复合镀层、具有良好电接触性能的纳米复合镀层、可焊性纳米复合镀层、抗高温氧化性能纳米复合镀层和其它功能的纳米复合镀层等。
