Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的電沉積及其耐蝕性研究

卜路霞，石 軍，朱華玲，尉 震

(天津農學院基礎科學系，天津 300384)

Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的電沉積及其耐蝕性研究

卜路霞，石 軍，朱華玲，尉 震

(天津農學院基礎科學系，天津 300384)

采用控電流電沉積技術以銅為基體制備了Ni-SiO2納米微粒復合鍍層。通過改變鍍液中SiO2納米微粒的質量濃度，考察了其對鍍層中SiO2微粒的質量分數、電沉積速率及鍍層耐蝕性能的影響，對純鎳鍍層與Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的耐蝕性進行了比較。研究了陰極電流密度對復合鍍層耐蝕性能的影響，并采用掃描電子顯微鏡對鍍層形貌進行了分析。結果表明，通過改變ρ(SiO2)，可以調節Ni-SiO2復合鍍層的組成、電沉積速率和耐蝕性能。當ρ(SiO2)為10～15g/L且電流密度為1A/dm2時，復合鍍層具有較好的耐蝕性能。相對于純鎳鍍層，Ni-SiO2納米微粒復合鍍層具有更好的耐蝕性，其表面更致密、平整。

Ni-SiO2納米微粒復合鍍層;電沉積;耐蝕性;制備

引 言

近年來，相對于純鎳鍍層，采用復合電鍍技術制備的鎳及鎳合金基納米微粒復合鍍層，由于具有更加優異的性能，而受到了普遍關注［1-4］。但目前的研究大多集中在鍍層制備工藝及鍍層性能表征等方面，而對納米微粒的加入對電沉積過程的影響研究卻相對較少。事實上，納米微粒的加入與鍍層的沉積速率、耐蝕性等有著非常密切的關系［5-7］。深入研究納米微粒的加入與復合鍍層之間的關系，對制備高性能的復合鍍層，具有重要意義。本文采用控電流方法在銅基體上電沉積制備了Ni-SiO2納米微粒復合鍍層，考察了鍍液中SiO2納米微粒的加入對鍍層電沉積速率、耐蝕性的影響，對Ni-SiO2納米微粒復合鍍層與純鎳鍍層的耐蝕性能進行了比較，研究了電流密度對鍍層耐蝕性的影響，對復合鍍層形貌進行了分析。

1 實驗

1.1 Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的制備

以鎳板作為陽極，采用機械攪拌方式進行Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的制備。SiO2納米粉的顆粒粒徑為60nm。

采用經細砂紙打磨光亮后的黃銅片為陰極基片，電鍍前采用10%的稀硫酸除氧化膜后使用。預處理流程:陰極電解除油→一次水洗→強浸蝕→二次水洗→弱浸蝕→三次水洗→吹干備用。

鍍液配制時，首先將一定量的SiO2納米微粒用少量水潤濕，加入適量的分散劑B(以阻止SiO2納米微粒在鍍液中的團聚)，用超聲波攪拌20min，然后加入按一定組成配好的鍍液，調節溶液的pH，再用超聲波充分攪拌1h，使SiO2納米微粒在鍍液中充分分散，備用。

在瓦特型鍍鎳液基礎上對鍍液組成進行調整，并加入SiO2納米微粒，通過實驗確定鍍液中成分及操作條件如下:

1.2 Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的表征

采用英國PHILIPS公司的XL30ESEM TMP型環境掃描電子顯微鏡(ESEM)及所帶能譜儀對復合鍍層的微觀形貌及組成進行測定。通過測定鍍層中Ni、Si元素的摩爾分數，根據分子式再計算出SiO2納米顆粒在復合鍍層中的質量分數。采用光學顯微鏡測試鍍層的厚度，從而計算出電沉積速率。采用質量損失法測定鍍層的耐蝕性。室溫下，將Ni-SiO2納米微粒復合鍍層放入3.5%NaCl溶液中，靜態浸泡24h，同樣條件下，取3個樣品在溶液中靜態浸泡的腐蝕數據計算出平均腐蝕速率。

2 結果與討論

2.1 鍍液中ρ(SiO2)對鍍層w(SiO2)的影響

根據1.1所述的電鍍條件，只改變ρ(SiO2)，保持電鍍時間相同，考察了ρ(SiO2)與Ni-SiO2復合鍍層中w(SiO2)之間的關系，如圖1所示。

圖1 ρ(SiO2)對鍍層中w(SiO2)的影響

可以看出，當 ρ(SiO2)增加時，Ni-SiO2復合鍍層中w(SiO2)先增加，隨后又降低。當ρ(SiO2)為2g/L 時，w(SiO2)為 0.41%;當 ρ(SiO2)由 5g/L 增加到10g/L時，w(SiO2)由 0.83%逐漸增加到1.69%;當 ρ(SiO2)進一步增加到15g/L 時，w(SiO2)由1.69%增加到1.71%，可見，隨著ρ(SiO2)的進一步增加，w(SiO2)基本不變;但當ρ(SiO2)增加到20g/L時，w(SiO2)反而下降到1.64%。其原因可能是ρ(SiO2)越大，其懸浮量也大大增加，單位時間內通過攪拌作用將微粒輸送到陰極表面的數量也越多，吸附在陰極表面的數目也相應增多，微粒進入鍍層的幾率也就越大，從而鍍層中SiO2微粒的復合量增加。但當ρ(SiO2)增加到一定值后，納米微粒團聚現象會隨質量濃度的增大逐漸嚴重，在一定程度上會阻止SiO2微粒與金屬的共沉積，從而導致了w(SiO2)隨著ρ(SiO2)的增加反而下降。

2.2 ρ(SiO2)對電沉積速率的影響

在其它條件相同的條件下，考察了ρ(SiO2)變化對復合鍍層電沉積速率的影響，如圖2所示。可以看出，當ρ(SiO2)增加時，沉積速率先逐漸增加，隨后又逐漸降低。當ρ(SiO2)為10g/L時，鍍層沉積速率最大。

圖2 ρ(SiO2)對電沉積速率的影響

2.3 ρ(SiO2)對鍍層耐蝕性能的影響

Ni-SiO2復合鍍層在3.5%NaCl中的浸泡耐蝕試驗結果如表1所示。可以看出，當 ρ(SiO2)為10g/L時，腐蝕速率最低，為 0.472g/(m2·h);當ρ(SiO2)由10g/L增加到 15g/L時，腐蝕速率為0.524g/(m2·h)，變化不大。而相同試驗條件下，純鎳鍍層的腐蝕速率為 1.683g/(m2·h)，表明Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的耐蝕性能顯著優于純鎳鍍層。另外，可以確定ρ(SiO2)的適宜的工藝范圍為10～15g/L，其最佳值為10g/L。

2.4 陰極電流密度對鍍層耐蝕性能的影響

保持其它條件不變，只改變陰極電流密度進行電沉積，考察了電流密度對Ni-SiO2復合鍍層耐蝕性的影響，其結果如表2所示。

可以看出，當陰極電流密度增加時，鍍層腐蝕速率逐漸降低，表明其耐蝕性能逐漸增強，但當Jκ高于1A/dm2時，鍍層腐蝕速率逐漸增加，其耐蝕性能顯著下降。原因可能是當陰極電流密度較小時，過電位較低，形成的鍍層的孔隙率比較高，鍍層的耐蝕性能較低。當陰極電流密度增加時，過電位也逐步增加，電沉積速率加快，晶粒細化，鍍層比較致密，因此，鍍層的耐蝕性增強。但當陰極電流密度太高時，電沉積速率過快，所得鍍層比較疏松，致密度差，因此導致鍍層的耐蝕性又降低。

表2 電流密度對鍍層耐蝕性能的影響

2.5 Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的形貌

圖3為在相同條件下，鍍液中添加SiO2納米微粒與不添加納米微粒情況下，電鍍純鎳鍍層與Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的ESEM照片。可以看出，鍍液中添加納米微粒后，所得鍍層表面更加致密、光滑，SiO2納米微粒均勻地分散在復合鍍層中，從而增加了鍍層的耐蝕性能。

圖3 鍍層的表面形貌

3 結論

1)通過改變 ρ(SiO2)，可以調整復合鍍層中w(SiO2)，從而影響復合鍍層的電沉積速率和耐蝕性能。相對于純鎳鍍層，Ni-SiO2納米微粒復合鍍層具有更優良的耐蝕性能。ρ(SiO2)的適宜的工藝范圍為10～15g/L，其最佳值為10g/L。

2)陰極電流密度是影響復合鍍層耐蝕性能的重要因素。電流密度為1A/dm2時，復合鍍層的耐蝕性能最好。

3)Ni-SiO2納米微粒復合鍍層的表面更光滑、致密，從而使得耐蝕性顯著提高。

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［5］Karthikeyan S，Srinivasan K N，Vasudevan T，et al.Studies on electroless Ni-P-Cr2O3and Ni-P-SiO2composite coatings［J］.Electroplating ＆ Finishing，2007，26(1):1-6.

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Electrodeposition and Corrosion Resistance of Ni-SiO2Nano-particles Composite Coating

BU Lu-xia，SHI Jun，ZHU Hua-ling，WEI Zhen
(Department of Basic Science，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China)

Ni-nano SiO2composite coating was prepared on copper substrate by electrodeposition with constant current.Effects of nano SiO2particle concentration in electrolyte on the content of nano SiO2in the coating，electrodeposition rate and corrosion resistance of the coating were investigated by changing nano SiO2concentration in the electrolyte.Also，corrosion resistance of Ni-nano SiO2composite coating was compared with that of pure Ni coating;effect of cathodic current density on corrosion resistance of the coating was studied and coating morphology was characterized by ESEM.Results indicated that coating composition，electrodeposition rate and corrosion resistance of the coating could be adjusted by changing nano SiO2concentration in electrolyte.When nano SiO2concentration in electrolyte was 10～15 g/L and cathodic current density was 1 A/dm2，corrosion resistance of the coating was preferable.Compared with pure Ni coating，Ni-nano SiO2composite coating had better corrosion resistance and more compact，smoother surface.

Ni-nano SiO2composite coating;electrodeposition;corrosion resistance;preparation

TQ153.2

A

1001-3849(2011)06-0013-03

2010-08-31

2011-03-10