金屬基納米復(fù)合材料不同復(fù)合鍍層研究綜述

曹宏偉，劉小琴，王超囡，彭成龍，孫初鋒

(西北民族大學(xué)，甘肅 蘭州　730030)

1　引言

近年來(lái)，科技進(jìn)步對(duì)材料的性能提出了各種各樣的新的更高的要求。單一的金屬材料已無(wú)法滿足各種需要，而以一種金屬為基體，通過(guò)電沉積或化學(xué)鍍的方法使金屬與顆粒共沉積獲得的復(fù)合鍍層，因具有與材料相關(guān)的不同特性，包括耐腐蝕性、減摩性、耐高溫等同時(shí)具有其中幾種功能而倍受人們關(guān)注。我國(guó)復(fù)合鍍研究起步較晚，但在通過(guò)不斷地研究下，在近十多年中取得很大成績(jī)，各種性能優(yōu)異的復(fù)合鍍層相繼應(yīng)用開(kāi)來(lái)。下面對(duì)不同性能鍍層種類及應(yīng)用作一些綜述。

2　幾類不同性能的復(fù)合鍍層

2.1　納米復(fù)合鍍層

2.1.1耐磨復(fù)合鍍層

通常材料的硬度與鍍層的耐磨性正相關(guān)。將鉻、銅、鎳等基質(zhì)金屬與硬度較高的SiC、SiO2、Al2O3、ZrO2、WC、TiC等硬質(zhì)顆粒形成各種復(fù)合鍍層[1-8]，這些顆?？梢约?xì)化金屬顆粒，提高其機(jī)械性能，使復(fù)合鍍層的結(jié)合強(qiáng)度和耐摩性大大提高，有著廣泛的應(yīng)用前景。

在Garcia[9]等考察電沉積Ni-SiC的耐磨性能，他們發(fā)現(xiàn)復(fù)合鍍層的耐磨性依賴于SiC顆粒的體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4%～5% 時(shí)鍍層具有最好的抗磨性，而且SiC的粒徑越小其抗磨性越好。這主要得益于共沉積顆粒的彌散增韌效應(yīng)和脫落顆粒在滑動(dòng)過(guò)程中的抗磨性。

2.1.2減摩復(fù)合鍍層

在鍍液中加入具有低硬度、潤(rùn)滑性好的顆粒，如PTFE、石墨等，與銅、鋁等基質(zhì)金屬共沉積來(lái)獲得減摩復(fù)合鍍層。減摩復(fù)合鍍層因其摩擦系數(shù)較低，在軸承、氣缸、齒輪等方面有著廣泛應(yīng)用。

在化學(xué)鍍鎳磷合金溶液中加人具有自潤(rùn)滑性的氟化石墨和特殊分散劑，吳以南等獲得了Ni-P-氟化石墨復(fù)合鍍層，該鍍層具有很好的脫模性。姜曉霞[10]等用正交試驗(yàn)研究得出，在瓦特浴中電鍍Ni-P/石墨減摩鍍層，實(shí)驗(yàn)表明該鍍層兼具潤(rùn)滑和耐磨性能。

2.1.3耐腐蝕復(fù)合鍍層

通過(guò)添加具有某些特性的顆粒以及復(fù)合后材料的結(jié)構(gòu)改變都會(huì)影響復(fù)合鍍層的耐腐蝕性能。

Benea[11]等人研究了Ni-SiC納米復(fù)合鍍層，測(cè)得該復(fù)合鍍層的腐蝕電位為-198mV(vsAg/AgCl)比鎳的腐蝕電位-260mV(vsAg/AgCl)正移了62mV，主要原因可能是在納米復(fù)合鍍層表面的SiO2或Si(OH)2保護(hù)了鍍層，從而提高了其抗腐蝕性能。

為了考察以Ni-P為基質(zhì)的不同分散微粒對(duì)鍍層性能的影響，李淑苓[12]等對(duì)幾種復(fù)合鍍層的耐蝕性進(jìn)行了測(cè)定得出：在腐蝕500h之前樣品基本完好沒(méi)有變化，復(fù)合鍍層保持良好。大于960h 時(shí)，加人SiC的復(fù)合鍍層耐腐蝕性優(yōu)于TiO2的鍍層，有非晶結(jié)構(gòu)Ni-P合金鍍層耐酸、堿性好。

2.1.4耐高溫復(fù)合鍍層

當(dāng)耐高溫這一性能需求出現(xiàn)時(shí)，陶瓷顆粒具有耐高溫、抗高溫氧化就被廣泛關(guān)注。將陶瓷顆粒應(yīng)用在耐高溫復(fù)合鍍層中能有效提高鍍層的抗高溫性能，如在Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層中加入納米ZrO2，復(fù)合鍍層在550～580 ℃ 的抗高溫氧化性能明顯提高。

彭曉[13]等人制備了Ni-La2O3納米復(fù)合鍍層，結(jié)果證明鎳基復(fù)合鍍層的晶粒明顯細(xì)化，同時(shí)其抗高溫循環(huán)氧化性能顯著提高。對(duì)Ni-SiC納米復(fù)合體系來(lái)說(shuō)，該鍍層的耐高溫氧化性能與鍍層中SiC的復(fù)合量及鍍層的孔隙率有關(guān)，復(fù)合量小孔隙率低，鍍層的耐高溫性強(qiáng)。

這是因?yàn)樯倭康募{米顆粒彌散分布在鍍層中，一方面能減小鍍層孔隙率，從而阻礙氧在鍍層中的擴(kuò)散，既降低了鍍層本身的氧化速度，也會(huì)使氧與基體的接觸幾率減小。

另一方面，大量SiC的引入很容易使鍍層的內(nèi)部缺陷増多、孔隙率增大,尤其是SiC與Ni之間的熱膨脹系數(shù)相差較大，在加熱氧化過(guò)程中，容易使顆粒與基體之間產(chǎn)生裂紋等熱應(yīng)力缺陷，氧通過(guò)孔隙、裂紋等缺陷在鍍層中的擴(kuò)散速度増加，從而使鍍層的抗氧化能力下降[14]。

2.2　具有電接觸功能的復(fù)合鍍層

電接觸功能鍍層特點(diǎn)是良好的導(dǎo)電性、耐蝕性、耐磨性、低接觸電阻性。大多以Au,Ag為基底，分散微粒有WC、SiC、MOS2、La2O3等。資料表明[15]：Au-MoS2復(fù)合鍍層可作為新型的自潤(rùn)滑電接觸材料，它具有較低的接觸電阻、適中的硬度、低摩擦系數(shù)及優(yōu)良的耐腐蝕性，因而有良好的電接觸性。

唐致遠(yuǎn)[15]采用如下工藝：KAu(CN)212g/L，C6H8O7·H2O 60g/L K3C6H5O7·H2O 80g/L, TGN 1-5 g/L，復(fù)合鍍液1～3 g/L Dk 0.1～0.5 A/dm2，pH 4.0～4.5，室溫，不銹鋼板為陽(yáng)極，采用機(jī)械攪拌，獲得了結(jié)晶細(xì)小、致密、均勻、光亮，金屬?gòu)?fù)合材料耐磨性好和導(dǎo)電性優(yōu)良。

2.3　其他復(fù)合鍍層

復(fù)合鍍層大多有復(fù)合性能,因此在很多方面也被廣泛的研究、應(yīng)用。半導(dǎo)體CdS或TiO2與金屬鎳形成的復(fù)合鍍層,在光的作用下可以獲得電壓和電流的響應(yīng), 具有光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)；將TiO2復(fù)合到鍍層中制備的Ni-P-TiO2[17]和Ni-TiO2[18]復(fù)合鍍層具有較強(qiáng)的催化活性, 可以有效的處理污水、凈化殺菌；Deguchi[19]等研究發(fā)現(xiàn), Zn-TiO2對(duì)乙醇、 乙醛的氧化具有光催化作用，經(jīng)過(guò)673K熱處理6h后, 在鍍層的表面生成的Zn0-TiO2納米層比Zn-TiO2具有更高的光催化性能；作為裝飾性復(fù)合鍍層比較典型的是緞狀鎳復(fù)合鍍層。在鍍鎳溶液中加人Al2O3,BaSO4，TiO2等微粒，與鎳共沉積可獲得具有柔和光澤的鍍層[20]，有資料已給出其工藝條件。

有關(guān)分散強(qiáng)化的合金鍍層主要有Ni-Al2O3,Ni-ZrO2，Ni-SiO2，Cr-SiO2等，這種合金鍍層機(jī)械性能極大地滿足人們的需要。李國(guó)俊〗采用電沉積法來(lái)制取的α-Al2O3/Cu復(fù)合材料的機(jī)械性能及相關(guān)的工藝參數(shù)進(jìn)行了較深入研究。結(jié)果表明:a-Al2O3可以使材料硬度明顯地提高，當(dāng)α-Al2O3含量達(dá)20% vol 時(shí)，電導(dǎo)率可達(dá)70% IACS以上。而復(fù)合材料的強(qiáng)度隨Al2O3成分的增加而出現(xiàn)峰值，同時(shí)也觀察到，摻入的微粒越細(xì)，強(qiáng)度越高。通過(guò)研究，為獲得高體積分?jǐn)?shù)的Al2O3增強(qiáng)銅基復(fù)合材料提供了較為可靠的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

3　結(jié)論和前景

通過(guò)加入納米顆?？梢蕴岣邚?fù)合鍍層的相關(guān)性能，因此納米材料在復(fù)合鍍層中的應(yīng)用具有很好的發(fā)展前景。但我國(guó)相關(guān)的研究剛剛起步，很多關(guān)鍵問(wèn)題仍未得到很好的解決辦法，因此有關(guān)納米材料的復(fù)合鍍層的研究還在繼續(xù)，可以說(shuō)是充滿了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和研究人員的不懈努力，金屬基納米復(fù)合材料必將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛發(fā)展和應(yīng)用。