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镍电沉积层是使用最广泛的装饰性防护镀层之一,纳米晶电沉积镍层具有结晶细致、硬度高、耐磨性好、孔隙率低、光亮度,耐腐蚀优异等优点,是一种应用广泛,实用性强的新型防护性装饰材料常用于汽车、航空、电子和家居用品等领域。近年来,纳米材料的腐蚀特性研究,引起了人们的注意。
目前,国内外对镍电沉积层的耐蚀性研究还较少,所得结果也存在一些争议,且主要集中在纳米镍镀层的制备与合成技术、微观结构特征(晶界结构、晶粒结构和结构稳定性)、力学性能及其应用以及纳米镍合金的耐蚀性研究上,对于单质纳米镍材料的性质则研究得比较少。在纳镍材料的耐腐蚀性方面,国内外的文献较多倾向于比较脉冲与直流电沉积层或合金电沉积层的耐蚀性。
本课题组之前的研究表明,纳米镍沉积层的耐蚀性明显优于直流电沉积。对于镀层耐腐蚀性的差别上,主要的变化参数除了电沉积的晶粒尺寸,还有就是镀层的晶面取向。随着研究的深入,作者采用双脉冲电沉积技术制备出了不同晶面择优取向度的纳米晶镍电沉积层系列样品。利用X射线衍射法测出镍镀层的晶面择优取向,用扫描电镜观测腐蚀前后样品的形貌和组织结构。分析对比得出:在相同的电流密度下,随着糖精浓度逐渐增加,晶粒尺寸逐渐减小,{111}面择优取向的出现概率呈增大趋势;在相同的糖精浓度影响下,镍镀层的择优取向性随着峰值电流密度的改变而变化。即随着脉冲峰值电流密度的减小,晶粒尺寸相应的减小,{111}面取向增强,也就是说镍沉积层中{111}面晶体择优取向程度逐渐上升。
通过测定样品的孔隙率、静态浸泡腐蚀失重试验、中性盐雾实验和电化学方法等研究了纳米级镍镀层的耐腐蚀性能,采取宏观观察与微观分析、定性概括和定量分析、理论研究与实验观察相结合的方法,将纳米级镀镍层置于酸性、中性溶液中,评价其耐腐蚀性能。
得出的结论是:当纳米镍电沉积层{111}晶面择优取向度在0.54至0.81之间时,其耐腐蚀性呈先增强后减弱的趋势。Tafel极化曲线与交流阻抗实验得到了相同的结果,晶面择优取向对镀层的耐蚀性有一定程度的影响,且存在{111}面和{200}面相对强度的最佳组合,使得镀层耐腐蚀性能最强。即随着镍沉积层{111}晶面择优取向逐渐减弱,样品耐腐蚀性先增强后减弱。纳米镍的晶面取向会对镀层的耐蚀性产生影响,从{111}晶面的角度来看,随着镀层IF{111}的增加,电沉积纳米镍镀层的腐蚀电位呈现先增大后减小的趋势,镀层的阻抗先减小后增大,即耐蚀性先增强后减弱,并且存在一个IF{111}的特定值或特定区间,初步估计在0.6~0.7之间,使纳米镍镀层的耐蚀性最强。
运用第一原理密度泛函理论研究氧在Ni{111}表面上的吸附能及功函数,对比O原子在两种表面的吸附能得出,氧原子在Ni{200}表面的吸附能远大于Ni{111}表面,说明氧原子更倾向于在Ni{200}表面发生吸附,也就是氧原子更容易与Ni{200}晶面结合,即Ni{111}晶面的耐腐蚀性能大于Ni{200}晶面的耐腐蚀性能,所得到的结果与实验结果也是一致的。
另外,通过研究发现在镀液中不添加糖精制得的样品结构为纳米孪晶镍镀层,这种样品是在较高电流密度下电沉积得到的,其光亮度较差,耐腐蚀性较强;添加糖精后的电沉积层具有晶粒尺寸小,光亮度好,有镜面效果,耐腐蚀性较好的特点,但相对纳米纳米孪晶镍较差。