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纳米金刚石复合镀层研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-11  浏览次数:726

工业上应用的材料经常是根据对强度的要求来选用的,但其表面性能,例如耐磨损性、抗腐蚀性、耐擦伤性、导电性不一定能满足要求。因此,需要选择不同的镀层以满足表面性能的要求。镀层的制备可通过机械镀、摩擦电喷镀、流镀、激光镀、浸镀、电泳涂装、复合电镀等技术来实现。近年来,高速发展起来的复合镀层以其独特的物理、化学、机械性能成为复合材料的新秀,得到广泛的关注,并已经被公认为一种生产技术。复合镀层是通过金属电沉积或共沉积的方法,将一种或数种不溶性的固体颗粒、纤维均匀地夹杂到金属镀层中所形成的特殊镀层。以超硬材料作为分散微粒,与金属形成的复合镀层称为超硬材料复合镀层。文中介绍的金刚石复合镀层就属于这一类。金刚石复合镀层的制备方法主要有化学复合镀和复合电沉积法。

 

金刚石颗粒与金属离子共沉积机理

 

在复合镀液中加入的金刚石颗粒具有很强的化学稳定性,施镀过程中它不参与任何化学反应,只是与化学(电化学)反应产生的金属离子共同沉积在基体的表面上。故化学镀和电沉积复合镀层都可用相同的机理来解释。在研究复合电镀共沉积过程中,人们曾提出3种共沉积机理,即机械共沉积、电泳共沉积和吸附共沉积。目前较为公认的是由N.Guglielmi在1972年提出的两段吸附理论。Gugliemi提出的模型认为,镀液中的微粒表面为离子所包围,到达阴极表面后,首先松散地吸附(弱吸附)于阴极表面,这是物理吸附,是可逆过程。其次,随着电极反应的进行,一部分弱吸附于微粒表面的离子被还原,微粒与阴极发生强吸附,此为不可逆过程,微粒逐步进入阴极表面,继而被沉积的金属所埋入。

 

该模型对弱吸附步骤的数学处理采用Langmuir吸附等温式的形式。对强吸附步骤,则认为微粒的强吸附速率与弱吸附的覆盖度和电极与溶液界面的电场有关。王森林等研究耐磨性镍金刚石复合镀层的共沉积过程,结果表面:镍金刚石共沉积机理符合Guglielmi的两步吸附模型,其速度控制步骤为强吸附步骤。到目前为止,复合电沉积和其它新技术、新工艺一样,实践远远地走在理论的前面,其机理的研究正在不断的发展之中。

 

金刚石复合镀层的制备及应用

 

2.1化学复合镀金刚石

 

化学镀是不外加电流,在金属表面的催化作用下经控制化学还原法进行的金属沉积过程。在镀液中加入不溶性微粒,使之与金属共沉积,即可得到复合镀层。化学复合镀不需电源和辅助阳极,不受基体材料形状的影响,可在材料的各部位均匀沉积,镀层致密硬度高,以及自润滑性、耐热性、耐腐蚀性和特殊的装饰性。在航空、机械、化工、冶金及核工业等方面有广泛的应用。复合化学镀镍镀层的性质随着选用微粒种类不同而异。金刚石有多种类型,大致可分为两类:单晶和多晶。制备复合材料所选用的金刚石类型取决于复合材料的最终用途。单晶金刚石适用于研磨和磨削,因其表面特征是具有尖锐的边角。

 

金刚石锉和砂轮等是用复合镀层作为功能面,易采用天然单晶金刚石。耐磨的复合材料不能含有单晶金刚石,因其粗糙的表面易磨损配对面,一般采用爆炸法人造多晶金刚石。化学镀镍-多晶金刚石复合材料具有良好的表面防护和抗擦伤性能。薄层的化学镀镍-金刚石作为中间层可以提高镍铬电镀沉积物的抗腐性,是最早镀制的化学镀复合材料之一,现在此种镀层则主要用于抗磨。

 

表1是Taber实验机测定金刚石镀层耐磨性结果[6],较对比试样硬铬高4倍,也优于工具钢及硬质合金。

 

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