电磁-高能超声复合场辅助沉积纳米化学复合镀层机理

Aiming at the poor solution stability, low deposition efficiency and high process temperature of traditional electroless plating technic, a novel magnetic and ultrasonic complex field will be applied in electroless nano-composite plating to improve the distribution of particulates in coatings and bonding strength between coatings and substrates in this study. Ni-P-based electroless nano-composite plating coatings on carbon steel surface will be firstly fabricated by magnetic field-induced and ultrasonic field-assisted electroless plating technique. 1) The action mechanisms of magnetic and ultrasonic complex field in the plating will be discussed by combining electrochemical techniques of measuring potentiodynamic polarization and Volt-ampere curves with the composition analysis of the composite coatings. 2) Bonding strength between coatings and substrates will be analysed by using the scratch method, observing the coatings' cross-sectional morphologies and analyzing the bond. Influence of the internal stress on the coatings' microstructure and the bonding strength will be tested and discussed. The hardness, friction coefficient and wear value will also be measured to evaluate the wear resistance of the coatings. In succession, electrochemical impedance spectroscopy, potentiodynamic polarization curves and salt spray corrosion test will be applied to estimate the coatings' corrosion resistance. 3) Effects of heat treatments on the coatings' microstructure, internal stress and properties will be studied. The development of this study will provide theory and experimentation supports for the electroless nano composite plating technics assisted by electromagnetic and ultrasonic complex field, which can enrich the approaches to the fabrication of electroless nano composite plating.

针对常规纳米复合镀中镀液稳定性差、沉积效率低、施镀温度高的缺陷，本项目将电磁场和高能超声场联合作用于纳米化学复合镀，通过电磁场与超声波的协同作用在碳钢表面制备Ni-P基纳米化学复合镀层，以提高微粒在镀层中的分散性及镀层与基体的结合力。1）通过动电位极化和伏安曲线的电化学测量与分析、结合镀层成分分析探讨电磁-超声波复合场在纳米化学复合镀中的作用机理；2）采用划痕法结合镀层横截面形貌、结构和结合键分析研究镀层与基体的结合强度，分析内应力对镀层结构及镀层与基体间结合强度的影响，通过测试镀层的硬度、摩擦系数和磨损量等参数来评价其耐磨性，用电化学交流阻抗谱、极化曲线、盐雾腐蚀试验评价镀层的耐蚀性；3）研究热处理对纳米复合镀层组织、结构、内应力和性能的影响。本项目的开展将为电磁-超声波复合场作用下纳米化学复合镀技术提供理论和试验基础，可丰富纳米复合镀层的制备方法。

研究工作主要采用电磁场和高能超声复合场作用于纳米化学复合镀，解决常规纳米复合镀沉积效率低、施镀温度高的问题。引入复合场，在碳钢表面优化制备了Ni-P基纳米化学复合镀层，用SEM、XRD、Raman等对镀层的形貌和结构进行了分析，通过动电位极化和伏安曲线的电化学手段测试了镀层的沉积速率，用XRD测试、计算分析了镀层的内应力，用镀层的硬度、摩擦系数和磨损量等参数来评价了镀层的耐磨性，用电化学交流阻抗谱、极化曲线试验评价镀层的耐蚀性，并探讨电磁-超声波复合场在纳米化学复合镀中的作用机理，研究了热处理对纳米复合镀层组织、结构和性能的影响。. 研究结果表明，与传统化学复合镀工艺相比，复合场辅助制备的复合镀层的沉积温度可降至中温，最低可达45℃；由于复合场的促进作用，镀层的沉积速率提高了约26%；镀层的内应力大大降低，大于50%以上；由于复合场对沉积晶粒的细化作用，镀层的耐腐蚀性明显提高；磨损量减少了30%以上，摩擦系数降低了0.1~0.3，约50%。. 复合场对复合镀层的沉积、形貌、结构以及沉积产物的大小具有明显的影响作用。复合镀层形成过程是：纳米微粒向镀件表面迁移、粘附在镀件表面并部分实现强吸附，最后被基质金属包覆。Ni会优先沉积，且初始沉积机理主要是电化学机制，而纳米粒子主要靠自身的吸附效应。添加的超声波，一方面在反应体系中可产生大量的活性自由基产生，使基体表面活化，加速化学反应；另一方面增加了微粒的接触碰撞几率，促使镀液中的Ni离子还原沉积在具有催化活性的表面和空隙内表面，从而降低沉积反应的温度，形成了均匀致密的、无孔隙的镀层；但随着温度的降低，超声波催化作用的效果受到降温的影响不断减弱。添加的磁场，提供了额外的磁能作用，加速了复合镀液中微粒的运动，使镀液中的镍离子按磁力线方向排列，并使离子直接按这个方向在基体上得电子沉积，不仅促进了复合镀层的沉积、提高了沉积效率，还使得沉积的Ni-P固溶体亚稳相择优取向生长，具有部分晶化作用。. 本项目的开展为电磁-超声波复合场作用下纳米化学复合镀技术提供了理论和试验基础，丰富了纳米化学复合镀层的制备方法。