低温离子液体电镀多元铝合金的沉积机理研究

The key scientific problems in electroplating Al alloys in ionic liquids, as an alternative to classical Cd-plating on high strength steel, are the extreme sensibility of ionic liquids to air and water in atmosphere, as well as the lack of systemic deposition mechanism. In this project, a new synthesis method with new reactants is introduced to formulate new generation of ionic liquids which are stable to air and water in atmosphere and served as electroplating bath for Al and its alloys. Also proposed is new deposition mechanism of electroplating Al alloys in ionic liquids. The new ionic liquids, stable to air and water, are formulated by using less reactive anions, instead of halide. Several critical points need to be resolved to ensure the stability of ionic liquids, including alkylation of organic base, anion exchange, and purification of ionic liquids. Many advanced electrochemical measurements are to be applied to study the adsorption behavior of metal chlorides on surface of substrate, competitive coordination model in ionic liquids, and co-deposition mechanism of multi-metal complex. Based on the mechanism above, several highly corrosion resistant Al alloy coatings will be electroplated in atmosphere-stable ionic liquids. This research will provide a new method and mechanism to replace Cd-plating.

本项目针对离子液体电镀铝合金技术中离子液体对水氧敏感以及电镀铝合金的沉积机理缺乏系统性这一科学问题，提出采用新的物质和方法合成出对水氧稳定的离子液体，作为电镀铝及铝合金的载体，同时采用新的理论模型研究并解释多元铝合金电镀过程中的沉积机理，从而解决上述科学问题，并为制备高性能的铝合金镀层提供理论依据和指导。水氧稳定离子液体的制备是采用对水氧活性较弱的阴离子，取代了卤化物，突破有机碱烷基化控制、阴离子交换、离子液体相提纯等关键技术节点，从而使其能够较为稳定的存在于一般环境中。采用多种先进电化学测试及其他技术，对离子液体中多种金属氯化物在基体表面的吸附行为、在离子液体中竞争络合模型、以及多金属共沉积机理进行深入研究。在此基础上，本项目将从水氧稳定的低温离子液体中制备出高性能的电镀铝合金镀层，为取代传统的电镀镉提供新的理论和新的技术途径。

本项目针对电镀镉存在严重污染环境和危害人体健康的问题，旨在开发新型的基于离子液体的环保型电沉积铝及铝合金技术，替代传统镉类镀层。本项目主要研究内容包括开发稳定离子液体的合成方法，获得室温下可电镀用的离子液体；获得铝及铝合金的最佳的电镀工艺，检验多元铝合金镀层的性能；初步建立离子液体中电镀铝合金的共沉积模型；全面评估离子液体电镀铝合金在制备高强度钢表面新型耐蚀防护层的应用可行性；为航空航天领域高强度钢表面新型耐蚀防护层的发展提供新的理论和技术。.本项目的重要结果及关键数据如下：.1.从配制温度、水氧含量、纯化条件等方面优化了离子液体的配制方法，所获得的离子液体为略带黄色的澄清透明溶液。该溶液性能稳定，能在一定水氧含量下长时间保持不变色。.2.对离子液体电镀工艺进行了研究：1）通过电化学试验及电镀正交试验的方法确定了离子液体中EMIC与无水氯化铝的配比；2）对离子液体稀释剂进行了研究，筛选出了合适的稀释剂种类和含量；3）对离子液体的电镀参数进行研究，获得了最佳的电镀参数。.3.对使用离子液体制备的铝及铝合金镀层进行表征和性能评价，通过宏/微观形貌及成分分析、电偶腐蚀性能分析、人工海水周浸试验分析等，证明了所制备的铝及铝合金镀层外观均一，表面完整，镀层成分符合要求，具有优异的耐蚀性。.4.对离子液体电镀工艺进行了技术应用研究：1）对曲面零件进行离子液体镀铝，结果显示该工艺均镀能力良好；2）对导向套进行离子液体镀铝，结果显示该工艺具有一定的深镀能力。.5.对离子液体电沉积铝合金工艺开展了探索性研究，获得了较好的成功，所制备的Al-Zr合金镀层具有较好的综合性能。.随着本技术的日益成熟，离子液体电沉积铝及铝合金能够替代传统镉类镀层，作为高强度钢、钛合金等材料的表面防护涂层，提高高强度钢的耐蚀性，提高钛合金的抗接触腐蚀性能，可以广泛应用于航空、航发、航天、船舶、兵器等领域。