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脉冲电沉积（Ni-Co）/Al_2O_3复合镀层及其性能研究

作　者: 常立民
导　师: 安茂忠
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 应用化学
关键词: 脉冲复合镀 (Ni-Co)/Al2O3 镀层性能沉积机理腐蚀机理
分类号: TQ153.2
类　型: 博士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

在直流、单脉冲、周期换向脉冲三种电流方式下,采用逐层深入的方法,以镀层中的Al₂O₃含量、镀层硬度以及宏观残余应力为主要评价指标,得出电镀液的组成及操作条件为:硫酸镍250g/L,氯化镍45g/L,硼酸30g/L,硫酸钴3g/L,阴离子表面活性剂0.05g/L;pH值4.3,搅拌速率250 r/min,镀液温度43℃;电流密度2A/dm2,正向工作时间3ms,正向工作比0.3,正向脉冲平均电流密度2.22A/dm2,反向工作时间3ms,反向工作比0.1,反向脉冲平均电流密度0.22A/dm2。利用SEM、TEM、XRD、EDS以及XPS等手段分析镀层的结构,同时采用Tafel线性外推法、循环阳极极化曲线、电化学交流阻抗以及摩擦磨损实验等手段对其耐蚀及耐磨性能进行评价。在直流电沉积的扩散理论基础上,建立了脉冲电沉积的双扩散层模型,靠近电极为脉冲扩散层,扩散层内金属离子的浓度随脉冲电流的频率而波动;脉冲扩散层外面包围着一层稳态扩散层,其中离子的扩散速度在整个过程中基本是稳定的,作用是将主体溶液中的离子不断向脉冲扩散层中补充。单脉冲扩散层的厚度仅取决于阳离子扩散系数和脉冲导通时间,与溶液本体浓度无关。直流电沉积时,基质金属的沉积连续进行,粒子在电极表面不间断嵌入镀层;单脉冲电沉积由于脉冲间歇的存在使得具有较大体积的粒子会脱附,重新回到溶液中;采用周期换向脉冲时,反向脉冲电流使表面荷正电的较大的粒子更易从电极表面脱附,同时,反向脉冲电流对基质金属的溶解作用,也会促进粒子的脱附,因此镀层中复合粒子尺寸最小。随着镀层中粒子复合量的增加,三种镀层的晶粒都明显细化,说明Al₂O₃的存在阻止了晶粒的长大,提高了电沉积过程中晶核的形成速率。适当功率超声作用下电沉积获得的复合镀层,基质金属Ni的晶粒尺寸更小,Al₂O₃在镀层中的分布状况有较大程度的改善,但会增加镀层的应力,降低粒子的复合量。镀液中少量稀土添加剂的加入可以使基质金属晶粒明显细化,增加镀层中Al₂O₃粒子的复合量,提高复合镀层硬度,降低宏观残余应力。复合镀层主要由面心立方的Ni组成,同时存在较弱的Al₂O₃衍射峰,但并未发现Co元素的衍射峰,说明Ni的晶格中部分位置被Co取代,形成固溶体。直流电沉积的（Ni-Co）/Al₂O₃复合镀层中基质金属Ni主要沿

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第1章绪论  15-35
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  15-16
  1.2 直流复合电沉积的研究  16-25
    1.2.1 复合电沉积机理  16-18
    1.2.2 影响复合电沉积的因素  18-21
    1.2.3 复合镀层的性能与应用  21-25
  1.3 脉冲电沉积单金属及合金镀层的研究  25-30
    1.3.1 脉冲电沉积机理  25-27
    1.3.2 单向脉冲电沉积  27-29
    1.3.3 周期换向脉冲电沉积  29-30
  1.4 脉冲复合电沉积的研究  30-32
  1.5 电沉积Ni-Co基复合镀层的研究  32-34
  1.6 本课题的研究内容  34-35
第2章实验材料及测试方法  35-40
  2.1 实验材料及设备  35-36
    2.1.1 实验药品  35
    2.1.2 实验仪器  35-36
    2.1.3 实验装置  36
  2.2 测试方法  36-40
    2.2.1 硬度  36
    2.2.2 表面及截面形貌  36
    2.2.3 相组成、晶粒度、宏观残余应力  36-37
    2.2.4 镀层组成  37
    2.2.5 耐蚀性、耐高温特性  37-38
    2.2.6 磨损性能  38-39
    2.2.7 微观结构  39
    2.2.8 化学组成与价态  39
    2.2.9 Zeta电势  39-40
第3章脉冲复合电沉积工艺研究  40-69
  3.1 直流复合电沉积工艺研究  40-49
    3.1.1 表面活性剂的选用  40-43
    3.1.2 硫酸钴的作用与用量  43-45
    3.1.3 工艺参数对镀层组成的影响  45-49
  3.2 单脉冲复合镀工艺的确定  49-53
    3.2.1 工作比对复合电沉积的影响  50-51
    3.2.2 频率对复合电沉积的影响  51-53
  3.3 周期换向脉冲复合镀工艺研究  53-58
    3.3.1 反向脉冲工作时间的影响  54-55
    3.3.2 反向工作比的影响  55-56
    3.3.3 正、反电流比对的影响  56-58
  3.4 超声波在周期换向脉冲复合镀中的应用  58-63
    3.4.1 超声波对复合镀层组成和性能的影响  58-60
    3.4.2 超声波对复合镀层表面形貌的影响  60-62
    3.4.3 超声波对复合镀层微观结构的影响  62-63
  3.5 稀土在周期换向脉冲复合镀中的应用  63-68
    3.5.1 稀土对复合镀层组成和性能的影响  63-65
    3.5.2 稀土对复合镀层形貌的影响  65-67
    3.5.3 稀土对复合镀层微观结构的影响  67-68
  3.6 本章小结  68-69
第4章脉冲复合电沉积机理  69-89
  4.1 脉冲电沉积的电容效应  69-71
  4.2 周期换向脉冲电沉积双扩散层模型  71-82
  4.3 复合粒子沉积模型  82-88
  4.4 本章小结  88-89
第5章 (Ni-Co)/Al_2O_3复合镀层的结构和性能  89-129
  5.1 复合镀层的结构  89-99
    5.1.1 表面形貌分析  89-93
    5.1.2 微观结构分析  93-95
    5.1.3 相结构分析  95-99
  5.2 复合镀层常温介质中的耐蚀性能  99-112
    5.2.1 Tafel曲线  99-102
    5.2.2 循环阳极化研究点腐蚀  102-104
    5.2.3 电化学交流阻抗研究镀层耐蚀性  104-110
    5.2.4 腐蚀失重  110-111
    5.2.5 腐蚀后的表面形貌  111-112
  5.3 复合镀层的抗高温氧化特性  112-117
    5.3.1 复合粒子含量的影响  112-114
    5.3.2 高温氧化的表面形貌  114-117
  5.4 复合镀层在盐膜下的高温腐蚀特性  117-118
  5.5 复合镀层的摩擦磨损性能  118-127
    5.5.1 镀层的硬度、宏观残余应力  118-119
    5.5.2 电沉积方式、粒子复合量对镀层耐磨性能的影响  119-120
    5.5.3 载荷对镀层摩擦磨损性能的影响  120-124
    5.5.4 转速对镀层摩擦磨损性能的影响  124-127
  5.6 本章小结  127-129
第6章 (Ni-Co)/Al_2O_3复合镀层盐膜腐蚀机理  129-137
  6.1 盐膜腐蚀表面形貌  129-131
  6.2 盐膜腐蚀截面形貌  131-132
  6.3 元素及价态分析  132-133
  6.4 盐膜腐蚀机理探讨  133-135
  6.5 本章小结  135-137
结论  137-139
参考文献  139-151
攻读学位期间发表的学术论文  151-152
哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明  152
哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书  152
哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理  152-153
致谢  153-154
个人简历  154

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