超重力技术在水处理、除尘、脱硫、脱碳等方面具有潜在的应用价值,成为环保技术领域的一个研究热点。近年来超重力场中的电化学反应研究逐渐引起了人们的重视,研究成果初步显示超重力场对电化学反应及其材料性能有显著影响,然而其作用机理等基础科学问题目前尚不清楚。本文在前人研究的基础上对超重力环境下的水溶液金属电沉积过程进行了基础研究。论文主要取得如下进展:　　 (1)利用循环伏安曲线、线性扫描伏安曲线研究了超重力场中电沉积金属镍、铁、铜的电化学行为。结果表明:超重力场加快了金属离子的还原反应速度,促进了金属的沉积反应。析氢副反应过程的强化使得电沉积金属的电流效率随重力系数的增大而降低,然而,超重力场的强化作用使电沉积反应的槽电压降低,因此生成单位金属箔所需的能量随重力系数的增大而减小。对于金属镍箔,当重力系数由1增加到354时,其消耗的能量由720.4 J/cm3减小为469.6 J/cm3。　　 (2)研究了重力系数及其作用方向对金属电沉积反应扩散过程的影响规律,以考察超重力对金属电沉积反应的强化机理。结果表明:超重力场中离子的扩散系数几乎没有变化；随着重力系数的增大,电极表面的扩散层厚度减小,电极表面的浓度梯度增大；不同重力方向下金属电沉积反应的极限电流密度随重力系数的增大而增加,当重力系数由1增加到354,电沉积金属镍的极限电流密度由1.66×10-3 A/cm2增大为5.12×10-3 A/cm2。　　 (3)研究了超重力条件下金属电沉积反应的极化过程和反应动力学。结果表明:重力系数增大,电沉积金属铜和金属镍的反应极化过电位均减小。反应活化能数值计算结果表明,当重力系数增大时,电极反应表观活化能降低,G由1增大至354时,电沉积金属镍的活化能由17.03×103 J/mol减小为6.87×103J/mol。电沉积金属铜和金属镍的交换电流密度均随着重力系数的增大而减小。对电沉积金属镍的电结晶动力学研究表明,超重力条件下镍晶体的成核速度加快,随着重力系数由1增加至354,镍晶的成核密度由10.47×1010 cm-2增大至558.73×1010 cm-2。　　 (4)研究了超重力条件下电沉积金属产物镍箔、铁箔、镍铁合金箔和锌镍合金箔的表面形貌和晶体结构。结果表明:超重力场中,沉积金属晶体的择优取向受到了抑制,金属的晶粒尺寸均随着重力系数的增大而减小,表面致密平整,随着重力系数由1增加到354,镍箔的表面粗糙度由20.90 nm减小为4.95 nm,铁箔的表面粗糙度由21.16 nm减小为6.28 nm。合金元素含量分析结果表明,沉积NiFe合金中的Fe元素以及沉积ZnNi合金中的Zn元素含量均随着重力系数的增大而增加。　　 (5)研究了超重力条件下电沉积金属材料的性能,产物镍箔、铁箔、镍铁合金箔、锌镍合金箔的硬度、抗拉强度、抗腐蚀性能和磁性能测试结果表明:在超重力条件下电沉积金属箔的硬度和抗拉强度均随着重力系数的增大而显著提高,在G=1时,沉积产物镍箔和铁箔的硬度分别为293.8 Hv和175.6 Hv,抗拉强度分别为298.2 MPa和264.2 MPa。而当G=354时,其硬度值分别达到了477.9 Hv和838.7 Hv,抗拉强度分别达到了944.0 MPa和719.4 MPa。抗腐蚀性能测试和磁性能测试结果表明,超重力条件下电沉积金属产物的抗腐蚀性能和磁性能均显著增强。