高频脉冲电沉积Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层及其性能研究

摘要

本实验在Watt型镀液中添加ZrO2纳米颗粒，采用高频(≥20kHz)脉冲电沉积技术成功制备出硬度高，耐高温性强，耐腐蚀性好的Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层，并用SEM、EDS和XRD等技术研究了镀层的制备工艺、微观形貌和性能三大方面。ZrO2纳米颗粒的均匀分散是制备性能优良的纳米复合镀层的关键，通过反复实验发现添加0.2g/L SDS的分散效果最好。通过宏观观察和微观表征，得出最佳施镀工艺:溶液pH为5，施镀温度45℃，电流密度范围2～6A/dm2，占空比适用范围20％～60％。Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层晶粒尺寸为16.6nm，而相同条件下制备的Ni-Co合金镀层的晶粒尺寸为24.5nm。
　　通过SEM对不同条件下制备的Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的表面形貌进行观察，可以发现，在较高频率(大于100kHz)和较高占空比（大于40％）的条件下制备的镀层表面形貌更为优良、结构更为紧致、纳米颗粒附着更为均匀。通过XRD对不同条件下制备的Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的结构进行表征，发现较高的频率（大于100kHz）和较高的占空比（大于40％）可以降低镀层的相对强度比I(200)/I(111)。通过EDS表征发现镀层中ZrO2含量受占空比、平均电流密度、脉冲频率和镀液中ZrO2含量的影响。镀层中ZrO2最大含量11.6wt.％在如下条件中实现:占空比40％，平均电流密度5A/dm2，脉冲频率100kHz，镀液中ZrO2含量10g/L。
　　Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的显微硬度随着脉冲频率的增大先增大后减少，在脉冲频率为100kHz时，显微硬度值达到最大。当占空比由20％上升到40％时，镀层的显微硬度也不断增大，当占空比由40％上升到60％时，镀层的显微硬度开始下降。当平均电流密度不断增大时，镀层的显微硬度先增大后减少。Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的耐高温性与镀层中ZrO2含量有关，其氧化增重曲线符合抛物线定律，镀层中ZrO2含量越高，Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的耐高温性能越好。Ni-Co/ZrO2纳米复合镀层的耐腐蚀能力与脉冲频率和占空比有关，通过调整频率和占空比可以控制镀层ZrO2颗粒含量和晶面结构。ZrO2颗粒可以阻止腐蚀介质与金属基质的接触，并且能够填充结构缺陷。另外，具有高填充密度晶面的镀层拥有更好的耐腐蚀性，(111)晶面具有比(200)晶面更高的填充密度，而频率和占空比会影响相对强度比I(200)/I(111)。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 纳米材料

1．1．1 纳米材料的分类

1．1．2 纳米材料的制备方法

1．1．3 纳米材料的研究

1．2 复合电沉积的研究

1．2．1 复合电沉积机理及模型

1．2．2 复合电沉积技术的优势

1．2．3 复合电沉积纳米材料的应用

1．3 脉冲电沉积的研究

1．3．1 脉冲电沉积的发展历史

1．3．2 脉冲电沉积的原理

1．4 Ni-Co基镀层的研究

1．4．2 Ni-Co基复合镀层的发展

1．5 本课题的工作

2 实验方法

2．1．1 实验药品

2．1．2 实验仪器

2．2 实验装置图

2．3 镀液组成及电镀参数

2．4 镀层的制备

2．5 SEM形貌观测及EDS分析

2．6 XRD结构分析

2．7 显微硬度测试

2．8 耐高温测试

2．9 耐腐蚀测试

3 高频脉冲电沉积工艺研究

3．1 纳米颗粒的分散问题

3．2 施镀工艺设计

3．2．1 溶液的pH

3．2．2 溶液的温度

3．2．3 平均电流密度

3．2．4 占空比

3．3 Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层和Ni-Co合金镀层

3．4 小结

4 Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层的形貌组成及结构分析

4．1．1 不同频率制备的Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层的SEM

4．1．2 不同占空比制备的Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层的SEM

4．2 Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层的相结构

4．3 镀层中ZrO2含量的影响因素

4．3．1 占空比

4．3．2 平均电流密度

4．3．3 脉冲频率

4．3．4 镀液中ZrO2含量

4．4 小结

5 Ni-Co／ZrO2纳米复合镀层的性能研究

5．1 镀层的显微硬度研究

5．1．1 实验原理

5．1．2 实验结果及讨论

5．2 镀层的耐高温性能

5．2．1 ZrO2含量的影响

5．2．2 高温氧化后的结构形貌

5．3 镀层的耐腐蚀性能

5．3．1 抗腐蚀技术的意义

5．3．2 电化学交流阻抗实验及结果

5．4 小结

6 结论

6．1 本文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简历

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