金屬基納米復合材料不同復合鍍層研究綜述

曹宏偉，劉小琴，王超囡，彭成龍，孫初鋒

(西北民族大學，甘肅 蘭州　730030)

1　引言

近年來，科技進步對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法滿足各種需要，而以一種金屬為基體，通過電沉積或化學鍍的方法使金屬與顆粒共沉積獲得的復合鍍層，因具有與材料相關的不同特性，包括耐腐蝕性、減摩性、耐高溫等同時具有其中幾種功能而倍受人們關注。我國復合鍍研究起步較晚，但在通過不斷地研究下，在近十多年中取得很大成績，各種性能優異的復合鍍層相繼應用開來。下面對不同性能鍍層種類及應用作一些綜述。

2　幾類不同性能的復合鍍層

2.1　納米復合鍍層

2.1.1耐磨復合鍍層

通常材料的硬度與鍍層的耐磨性正相關。將鉻、銅、鎳等基質金屬與硬度較高的SiC、SiO2、Al2O3、ZrO2、WC、TiC等硬質顆粒形成各種復合鍍層[1-8]，這些顆粒可以細化金屬顆粒，提高其機械性能，使復合鍍層的結合強度和耐摩性大大提高，有著廣泛的應用前景。

在Garcia[9]等考察電沉積Ni-SiC的耐磨性能，他們發現復合鍍層的耐磨性依賴于SiC顆粒的體積分數，當體積分數達到4%～5% 時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和脫落顆粒在滑動過程中的抗磨性。

2.1.2減摩復合鍍層

在鍍液中加入具有低硬度、潤滑性好的顆粒，如PTFE、石墨等，與銅、鋁等基質金屬共沉積來獲得減摩復合鍍層。減摩復合鍍層因其摩擦系數較低，在軸承、氣缸、齒輪等方面有著廣泛應用。

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

2.1.3耐腐蝕復合鍍層

通過添加具有某些特性的顆粒以及復合后材料的結構改變都會影響復合鍍層的耐腐蝕性能。

Benea[11]等人研究了Ni-SiC納米復合鍍層，測得該復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合鍍層表面的SiO2或Si(OH)2保護了鍍層，從而提高了其抗腐蝕性能。

為了考察以Ni-P為基質的不同分散微粒對鍍層性能的影響，李淑苓[12]等對幾種復合鍍層的耐蝕性進行了測定得出：在腐蝕500h之前樣品基本完好沒有變化，復合鍍層保持良好。大于960h 時，加人SiC的復合鍍層耐腐蝕性優于TiO2的鍍層，有非晶結構Ni-P合金鍍層耐酸、堿性好。

2.1.4耐高溫復合鍍層

當耐高溫這一性能需求出現時，陶瓷顆粒具有耐高溫、抗高溫氧化就被廣泛關注。將陶瓷顆粒應用在耐高溫復合鍍層中能有效提高鍍層的抗高溫性能，如在Ni-W-B非晶態復合鍍層中加入納米ZrO2，復合鍍層在550～580 ℃ 的抗高溫氧化性能明顯提高。

彭曉[13]等人制備了Ni-La2O3納米復合鍍層，結果證明鎳基復合鍍層的晶粒明顯細化，同時其抗高溫循環氧化性能顯著提高。對Ni-SiC納米復合體系來說，該鍍層的耐高溫氧化性能與鍍層中SiC的復合量及鍍層的孔隙率有關，復合量小孔隙率低，鍍層的耐高溫性強。

這是因為少量的納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散，既降低了鍍層本身的氧化速度，也會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部缺陷増多、孔隙率增大,尤其是SiC與Ni之間的熱膨脹系數相差較大，在加熱氧化過程中，容易使顆粒與基體之間產生裂紋等熱應力缺陷，氧通過孔隙、裂紋等缺陷在鍍層中的擴散速度増加，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合鍍層

電接觸功能鍍層特點是良好的導電性、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復合鍍層可作為新型的自潤滑電接觸材料，它具有較低的接觸電阻、適中的硬度、低摩擦系數及優良的耐腐蝕性，因而有良好的電接觸性。

唐致遠[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，不銹鋼板為陽極，采用機械攪拌，獲得了結晶細小、致密、均勻、光亮，金屬復合材料耐磨性好和導電性優良。

2.3　其他復合鍍層

復合鍍層大多有復合性能,因此在很多方面也被廣泛的研究、應用。半導體CdS或TiO2與金屬鎳形成的復合鍍層,在光的作用下可以獲得電壓和電流的響應, 具有光電轉化效應；將TiO2復合到鍍層中制備的Ni-P-TiO2[17]和Ni-TiO2[18]復合鍍層具有較強的催化活性, 可以有效的處理污水、凈化殺菌；Deguchi[19]等研究發現, Zn-TiO2對乙醇、 乙醛的氧化具有光催化作用，經過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；作為裝飾性復合鍍層比較典型的是緞狀鎳復合鍍層。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。

有關分散強化的合金鍍層主要有Ni-Al2O3,Ni-ZrO2，Ni-SiO2，Cr-SiO2等，這種合金鍍層機械性能極大地滿足人們的需要。李國俊〗采用電沉積法來制取的α-Al2O3/Cu復合材料的機械性能及相關的工藝參數進行了較深入研究。結果表明:a-Al2O3可以使材料硬度明顯地提高，當α-Al2O3含量達20% vol 時，電導率可達70% IACS以上。而復合材料的強度隨Al2O3成分的增加而出現峰值，同時也觀察到，摻入的微粒越細，強度越高。通過研究，為獲得高體積分數的Al2O3增強銅基復合材料提供了較為可靠的理論和實驗依據。

3　結論和前景

通過加入納米顆粒可以提高復合鍍層的相關性能，因此納米材料在復合鍍層中的應用具有很好的發展前景。但我國相關的研究剛剛起步，很多關鍵問題仍未得到很好的解決辦法，因此有關納米材料的復合鍍層的研究還在繼續，可以說是充滿了機遇與挑戰。相信隨著技術的不斷發展和研究人員的不懈努力，金屬基納米復合材料必將在各個領域得到廣泛發展和應用。