稀土二元纳米复合电铸技术基础研究

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采用纳米复合电铸工艺可以获得具有许多特殊功能的电铸层。弥散在纳米复合电铸材料中的纳米颗粒,可以改善沉积层的微观组织结构,提高其强度、耐磨性、抗高温氧化性、自润滑性、耐腐蚀性、催化性等。通常,在电铸液中添加一种纳米颗粒,制备的电铸层具有良好的耐腐蚀、耐高温和耐磨损等性能。采用纳米复合电铸工艺在电铸液中添加两种或两种以上、具有协同效应的纳米颗粒,有望获得性能更加优异的电铸层。然而,目前关于同时添加两种纳米颗粒的电铸工艺、两种以上纳米颗粒与金属共沉积的机理以及纳米颗粒协同效应对电铸层性能的作用机理等方面的研究还很少。 本论文采用稀土和陶瓷两种纳米颗粒作为电铸液中的悬浮颗粒,开展了稀土二元纳米复合电铸技术基础研究。主要研究了工艺参数对电铸层中颗粒含量的影响,通过对电铸层表面形貌、微观结构和性能的分析与测试,获得了制备稀土二元纳米复合电铸层的最佳工艺,提出了两种颗粒与金属共沉积的机理模型,分析了两种纳米颗粒对电铸层性能的影响。本论文完成的主要研究内容和结论如下: 1. 研究了在电铸过程中同时添加稀土纳米氧化铈(CeO2)和陶瓷纳米氧化锆(ZrO2)颗粒时,颗粒添加量、阴极电流密度、搅拌速度等工艺参数对复合电铸层中CeO2及ZrO2颗粒含量的影响。获得了制备稀土二元纳米复合电铸层的最佳工艺参数。CeO2和 ZrO2纳米颗粒相互促进沉积,并且可以实现与基质金属的共沉积。适当的纳米颗粒配比可以显著提高电铸层中的颗粒含量。 2. 分析了纯Ni电铸层和Ni-CeO2、Ni-ZrO2、Ni-CeO2-ZrO2纳米复合电铸层的表面形貌。CeO2与ZrO2两种纳米颗粒共同嵌入电铸层,对电铸层基质金属Ni的晶粒有明显细化作用。在低阴极电流密度下,优化纳米颗粒的配比,可以获得晶粒细小、表面光滑、组织致密的纳米复合电铸层。 3. 研究了CeO2与ZrO2纳米颗粒对基质金属Ni晶体结晶取向的影响。由于CeO2与ZrO2纳米颗粒的存在,纳米复合电铸层Ni的电结晶生长模式发生了变化,改变了Ni晶体结晶取向,使基质金属Ni逐渐形成沿(2 0 0)晶面的生长。 4. 对比研究了纯Ni电铸层和Ni-CeO2、Ni-ZrO2、Ni-CeO2-ZrO2复合电铸层的的显微硬度、耐腐蚀性能、抗高温氧化性能和摩擦磨损性能。稀土二元Ni-CeO2-ZrO2纳米复合电铸层的显微硬度、耐腐蚀、抗高温氧化性能及摩擦磨损性能均高于纯Ni和Ni-CeO2、Ni-ZrO2复合电铸层。CeO2与ZrO2纳米颗粒的共沉积,使稀土二元纳米复合电铸层具有良好的性能。 5. 分析了CeO2与ZrO2纳米颗粒提高电铸层性能的作用机理。稀土二元纳米复合电铸层Ni-CeO2-ZrO2性能的提高,主要是由于CeO2与ZrO2纳米颗粒的弥散强化、细晶强化作用。此外,两种纳米颗粒的协同作用进一步改善了电铸层的微观结构,促进其性能提高。 本论文通过研究,获得了制备具有优良性能的稀土二元Ni-CeO2-ZrO2纳米复合镀层的电铸工艺。本研究对应用稀土和陶瓷纳米颗粒开发具有多功能的电铸纳米复合材料和产品具有参考价值。
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