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1、薄膜物理课件第1页，本讲稿共52页电沉积电沉积第2页，本讲稿共52页电沉积电沉积2.电沉积的种类和应用电沉积的种类和应用电镀电镀电刷镀电刷镀化学镀化学镀脉冲电镀脉冲电镀摩擦电喷镀摩擦电喷镀 根根据据技技术术的的种种类类第3页，本讲稿共52页电沉积电沉积根根据据沉沉积积金金属属的的种种类类单金属电沉积单金属电沉积合金电沉积合金电沉积二元合金电沉积二元合金电沉积三元合金电沉积三元合金电沉积四元合金电沉积四元合金电沉积第4页，本讲稿共52页电沉积电沉积第5页，本讲稿共52页电沉积电沉积第6页，本讲稿共52页电沉积电沉积根根据据获获得得的的膜膜层层功功能能防护性镀层防护性镀层装饰性镀层装饰性镀层耐磨和
2、减摩镀层耐磨和减摩镀层导电性镀层导电性镀层磁性能镀层磁性能镀层抗高温氧化镀层抗高温氧化镀层防光反射与光反射镀层防光反射与光反射镀层生物、杀菌功能镀层生物、杀菌功能镀层纳米晶和纳米复合镀层纳米晶和纳米复合镀层第7页，本讲稿共52页二、电沉积的基本原理二、电沉积的基本原理1.导体与溶液组成导体与溶液组成(1)电子导体或第一类导体电子导体或第一类导体(2)离子导体或第二类导体离子导体或第二类导体在电沉积过程中，存在这两类导体的导电，在电极上是自在电沉积过程中，存在这两类导体的导电，在电极上是自由电子导电，在镀液中则为离子导电由电子导电，在镀液中则为离子导电思考：自由电子的消失和产生发生在哪思考：自由
3、电子的消失和产生发生在哪?发生在电极与溶液的界面上发生在电极与溶液的界面上电沉积电沉积第8页，本讲稿共52页在阴极上在阴极上Ni-2e Ni2+Ni2+2e Ni电极反应是电流通过电极与界面的必要条件电极反应是电流通过电极与界面的必要条件在阳极上在阳极上电沉积过程由三个过程构成：电沉积过程由三个过程构成：(1)在两极和外电路在两极和外电路(第一类导体第一类导体)中有自由电子沿一定方向运动中有自由电子沿一定方向运动(2)在镀液在镀液(第二类导体第二类导体)中有阴、阳离子定向移动中有阴、阳离子定向移动(3)在电极与电镀液的界面上，有得失电子的电极反应发生在电极与电镀液的界面上，有得失电子的电极反应
4、发生电沉积电沉积第9页，本讲稿共52页电镀液至少包含以下几个部分电镀液至少包含以下几个部分(1)金属离子的微粒金属离子的微粒(2)局外电解质局外电解质对于复杂的镀液还包括其他成分如：对于复杂的镀液还包括其他成分如：pH缓冲剂、添加剂、光缓冲剂、添加剂、光亮剂、防针孔剂等亮剂、防针孔剂等电沉积电沉积第10页，本讲稿共52页2.法拉第定律与电流效率法拉第定律与电流效率法拉第定律法拉第定律电流通过电解液时，在电极析出或溶解的物质的量与通过的电流通过电解液时，在电极析出或溶解的物质的量与通过的电量成正比电量成正比M：物质的量：物质的量Q：电量：电量C：比例常数：比例常数I：电流：电流t：通电时间：通电
5、时间电沉积电沉积第11页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理在电极上每析出或溶解在电极上每析出或溶解1电化学当量的任何物质所需的电量电化学当量的任何物质所需的电量都是都是1F(法拉第法拉第)即即96500 C(库仑库仑)电化学当量是该物质的相对原子质量与它在电极反应时得失电化学当量是该物质的相对原子质量与它在电极反应时得失的电子数之比，并以的电子数之比，并以 g/F为单位为单位例如镍的相对原子质量是例如镍的相对原子质量是58.69，电极反应时的电子得失数是，电极反应时的电子得失数是2，那么镍的电化学当量为，那么镍的电化学当量为 58.69/2=29.35 g/F第12页，本讲稿共5
6、2页电沉积的基本原理电沉积的基本原理电流效率电流效率M0：电极上实际析出或溶解的金属的量：电极上实际析出或溶解的金属的量M：由总电量换算出的析出或溶解的金属量：由总电量换算出的析出或溶解的金属量Q0：由电极析出或溶解的金属的实际置换算出的电量：由电极析出或溶解的金属的实际置换算出的电量Q：电极上通过的总电量：电极上通过的总电量 电流效率一般与电镀溶液类型有关电流效率一般与电镀溶液类型有关第13页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理第14页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理3.电极电位与电极极化电极电位与电极极化电极电位？电极电位？电极电位：在金属表面进行电沉积时，金属
7、与溶液间形成的电极电位：在金属表面进行电沉积时，金属与溶液间形成的 界面电位差称为金属的电极电位界面电位差称为金属的电极电位平衡电极电位：当金属浸在只含有该金属盐的电解质溶液平衡电极电位：当金属浸在只含有该金属盐的电解质溶液中，达到平衡时的电极电位称为该金属的平衡电极电位中，达到平衡时的电极电位称为该金属的平衡电极电位标准电极电位：在标准电极电位：在25下，金属离子活度为下，金属离子活度为1 mol/L时的平衡时的平衡电极电位称为该金属的标准电极电位，以电极电位称为该金属的标准电极电位，以 表示表示第15页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理O+ne=Ra0、aR：分别表示氧化态和
8、还原态物质的平均活度：分别表示氧化态和还原态物质的平均活度R：气体常数，：气体常数，8.314 J/(molK)T：热力学温度，：热力学温度，Kn：参加电极反应的电子数：参加电极反应的电子数F：法拉第常数：法拉第常数析出电位？析出电位？析出电位：把金属离子在阴极开始析出的电位称为析出电析出电位：把金属离子在阴极开始析出的电位称为析出电 位，析出电位又称为沉积电位位，析出电位又称为沉积电位第16页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理4.电极的极化与过电位电极的极化与过电位电流通过电极使电极的电位偏离平衡电极电位的现象称为电电流通过电极使电极的电位偏离平衡电极电位的现象称为电极的极化极
9、的极化把平衡电位与析出电位的差值称为析出过电位把平衡电位与析出电位的差值称为析出过电位极化可分为浓差极化、电化学极化和电阻极化等极化可分为浓差极化、电化学极化和电阻极化等第17页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理5.电沉积膜层的基本性能电沉积膜层的基本性能膜层的基本性能有：膜层的基本性能有：膜的密度、硬度、内应力、电阻率、强度、塑性、耐腐蚀性膜的密度、硬度、内应力、电阻率、强度、塑性、耐腐蚀性等等电沉积膜层的密度一般大致和相应元素或合金接近，但如果电沉积膜层的密度一般大致和相应元素或合金接近，但如果镀层中夹杂着其他物质或有很多孔隙则会影响到镀层的密度镀层中夹杂着其他物质或有很多孔
10、隙则会影响到镀层的密度值值第18页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理第19页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理影响电沉积膜层的主要因素影响电沉积膜层的主要因素电沉积溶液的体系不同、工艺参数不同、加入的添加剂不电沉积溶液的体系不同、工艺参数不同、加入的添加剂不同，甚至含有不同的杂质都会影响膜层的硬度同，甚至含有不同的杂质都会影响膜层的硬度第20页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理单盐镀液：是指主盐在水溶液中离解后，以简单金属离子形单盐镀液：是指主盐在水溶液中离解后，以简单金属离子形 式存在的镀液式存在的镀液单盐镀液中除了主盐之外，还含有导电盐和稳定镀液单
11、盐镀液中除了主盐之外，还含有导电盐和稳定镀液pH值的值的缓冲剂等，如氯化物镀液中的氯化钾或氯化钠、硼酸等缓冲剂等，如氯化物镀液中的氯化钾或氯化钠、硼酸等7.影响电沉积膜层的主要因素影响电沉积膜层的主要因素为了改善镀层表面质量，不少单盐镀液中还加入添加剂来提为了改善镀层表面质量，不少单盐镀液中还加入添加剂来提高镀层的光亮、整平性以及降低镀层应力等性能高镀层的光亮、整平性以及降低镀层应力等性能在单盐镀液中，简单金属离子还原时的阴极极化作用不大，在单盐镀液中，简单金属离子还原时的阴极极化作用不大，所以镀层结晶一般比较粗造，而且镀液的分散能力和深镀能所以镀层结晶一般比较粗造，而且镀液的分散能力和深镀能
12、力也比较差，因此必须加入适当的添加剂和光亮剂力也比较差，因此必须加入适当的添加剂和光亮剂7.1 溶液组成的影响溶液组成的影响第21页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理镀液的分散能力：一定的条件下使沉积金属在阴极零件表面镀液的分散能力：一定的条件下使沉积金属在阴极零件表面 上的分布均匀的能力上的分布均匀的能力镀液的分散能力与阴极过电位、溶液电导率、阴极电流密镀液的分散能力与阴极过电位、溶液电导率、阴极电流密 度、电流效率等有关度、电流效率等有关通常，分散能力好的镀液，其覆盖能力也好，但覆盖能力好通常，分散能力好的镀液，其覆盖能力也好，但覆盖能力好的镀液，其分散能力不一定好的镀液，其
13、分散能力不一定好镀液的深镀能力：一定的条件下使沉积金属在阴极零件表面镀液的深镀能力：一定的条件下使沉积金属在阴极零件表面上全部覆盖的能力上全部覆盖的能力第22页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理络合物镀液：镀液中的离子主要以络合离子形式存在络合物镀液：镀液中的离子主要以络合离子形式存在络合物镀液的基本成分是主盐和与主要放电金属离子起络合络合物镀液的基本成分是主盐和与主要放电金属离子起络合作用的络合剂，络合剂可以是一种，也可以是几种作用的络合剂，络合剂可以是一种，也可以是几种从络合物镀液中获得的镀层结晶细致，镀液的分散能力和深从络合物镀液中获得的镀层结晶细致，镀液的分散能力和深镀能
14、力也比较好镀能力也比较好第23页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理主盐浓度的影响主盐浓度的影响添加剂的影响添加剂的影响7.2 电沉积工艺对镀层质量的影响电沉积工艺对镀层质量的影响附加盐的影响附加盐的影响阴极电流密度的影响阴极电流密度的影响搅拌的影响搅拌的影响温度的影响温度的影响基体金属的影响基体金属的影响电学因素的影响电学因素的影响几何因素的影响几何因素的影响第24页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理8.合金电沉积的基本理论合金电沉积的基本理论8.1 合金电沉积的特点合金电沉积的特点(1)合金电沉积的过程复杂合金电沉积的过程复杂(2)合金镀层具有许多单金属镀层所不具
15、备的特殊性能合金镀层具有许多单金属镀层所不具备的特殊性能a.合金镀层与组成它的单金属镀层相比，合金镀层可能更平合金镀层与组成它的单金属镀层相比，合金镀层可能更平 整、光亮、结晶细致整、光亮、结晶细致b.许多合金具有特殊的物理性能，如镍铁、镍钴或镍钴磷合金许多合金具有特殊的物理性能，如镍铁、镍钴或镍钴磷合金 具有导磁性，低熔点合金镀层如铅锡、铅锌合金可用作铅焊具有导磁性，低熔点合金镀层如铅锡、铅锌合金可用作铅焊 镀层镀层c.合金镀层中组分及比例选择合适，则该合金镀层就有可能比合金镀层中组分及比例选择合适，则该合金镀层就有可能比 组成它们的单金属合金镀层更耐腐蚀，如铅锡、锌镍、锌铁组成它们的单金属
16、合金镀层更耐腐蚀，如铅锡、锌镍、锌铁 合金镀层等合金镀层等 第25页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理 d.不能从水溶液中单独析出的钨、钼、钛、钒等元素，但可以和过渡元素不能从水溶液中单独析出的钨、钼、钛、钒等元素，但可以和过渡元素(铁族铁族)在水溶液中共沉积形成合金镀层，如镍磷、镍钨、铁钨、铁钼在水溶液中共沉积形成合金镀层，如镍磷、镍钨、铁钨、铁钼等等e.可通过控制工艺条件改变镀层色调，如各种颜色的银合可通过控制工艺条件改变镀层色调，如各种颜色的银合 金、彩色镀镍及仿金镀层金、彩色镀镍及仿金镀层f.容易获得共熔点金属与低熔点金属形成的合金容易获得共熔点金属与低熔点金属形成的合金
17、第26页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理(3)合金镀层具有用热熔法制备的合金所不具备的特点合金镀层具有用热熔法制备的合金所不具备的特点a.可用电沉积方法获得平衡相图中没有的、与冶炼合金明显可用电沉积方法获得平衡相图中没有的、与冶炼合金明显 不同的物相。如不同的物相。如SnNi合金合金b.电沉积合金与用热熔法所得到的同种合金相比，电镀合金电沉积合金与用热熔法所得到的同种合金相比，电镀合金 硬度更高，耐磨性更好。硬度更高，耐磨性更好。第27页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理8.2 合金共沉积的基本条件合金共沉积的基本条件(1)两种金属至少有一种金属离子能从其盐的水溶
18、液中沉积出来。这是金属两种金属至少有一种金属离子能从其盐的水溶液中沉积出来。这是金属共沉积的必要条件共沉积的必要条件(而不是充分条件而不是充分条件)，并不一定要求各组分金属都，并不一定要求各组分金属都能单独地从水溶液中沉积出来能单独地从水溶液中沉积出来(2)要使两种金属离子在阴极共沉积，它们的沉积电位必须十分要使两种金属离子在阴极共沉积，它们的沉积电位必须十分接近或相等，如果相差太大的话，电位正的金属优先沉积，接近或相等，如果相差太大的话，电位正的金属优先沉积，甚至完全排斥电位较负的金属析出甚至完全排斥电位较负的金属析出 第28页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理3.实现金属共沉
19、积的措施实现金属共沉积的措施(1)改变金属离子的浓度改变金属离子的浓度(2)采用络合剂采用络合剂(3)采用添加剂采用添加剂 第29页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理9.复合电沉积机理复合电沉积机理复合电沉积又称为分散电沉积，它是将不溶性的固体微粒复合电沉积又称为分散电沉积，它是将不溶性的固体微粒(如氧如氧化物、碳化物、金属粉末等化物、碳化物、金属粉末等)加入到电镀液中，使其与溶液中金加入到电镀液中，使其与溶液中金属离子复合共沉积属离子复合共沉积 微粒与金属共沉积可以分为以下三个步骤：微粒与金属共沉积可以分为以下三个步骤：(1)悬浮于镀液中的微粒，由本体溶液向阴极表面附近输送悬浮
20、于镀液中的微粒，由本体溶液向阴极表面附近输送(2)微粒粘附于电极上微粒粘附于电极上(3)微粒被阴极析出的基质金属嵌入微粒被阴极析出的基质金属嵌入 第30页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理10.化学镀化学镀化学镀是不外加电源，在金属表面的催化作用下经控制化学化学镀是不外加电源，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还原法进行的金属沉积过程化学镀过程的实质是氧化还原反应，在这一过程中，虽然无化学镀过程的实质是氧化还原反应，在这一过程中，虽然无外加电源提供金属离子还原所需要的电子，但仍有电子的转外加电源提供金属离子还原所需要的电子，但仍有电子的转移移金属还原所需的电
21、子，是依靠溶液中的化学反应来提供，是金属还原所需的电子，是依靠溶液中的化学反应来提供，是靠化学反应物之一的还原剂来提供靠化学反应物之一的还原剂来提供第31页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理能够用化学镀沉积的金属有能够用化学镀沉积的金属有Ni、Cu、Co、Ag、Pd、Pt等以等以及相应的合金。目前应用最多的是化学镀镍和化学镀铜及相应的合金。目前应用最多的是化学镀镍和化学镀铜化学镀有以下优点：化学镀有以下优点：(1)可在复杂的镀件表面形成均匀的镀层可在复杂的镀件表面形成均匀的镀层(2)镀层的孔隙率低镀层的孔隙率低(3)可直接在塑料、陶瓷、玻璃等非导体上进行沉积镀膜可直接在塑料、陶瓷
22、、玻璃等非导体上进行沉积镀膜(4)镀层具有特殊的物理和化学性质镀层具有特殊的物理和化学性质(5)不需要电源，没有导电电极不需要电源，没有导电电极第32页，本讲稿共52页电沉积的基本原理电沉积的基本原理化学镀镍是利用镍盐溶液和钴盐溶液，在强还原剂次磷酸盐化学镀镍是利用镍盐溶液和钴盐溶液，在强还原剂次磷酸盐的作用下，使镍离子和钴离子还原成金属镍和钴，同时次磷的作用下，使镍离子和钴离子还原成金属镍和钴，同时次磷酸盐分解析出磷，在具有自催化表面的基体上，获得镍磷合酸盐分解析出磷，在具有自催化表面的基体上，获得镍磷合金或镍钴磷的合金金或镍钴磷的合金H2PO2-+H2O HPO3-+H+2HNi2+2H
23、Ni+2H+2H H2H2PO2-+H+H2O+OH-+PNi2+H2PO2-+H2O HPO3-+3H+Ni第33页，本讲稿共52页第五章溶液镀膜法第五章溶液镀膜法第二节阳极反应沉积法第二节阳极反应沉积法铝、钽、钛、铌等阀金属或合金，在适当的电极液中作阳极并铝、钽、钛、铌等阀金属或合金，在适当的电极液中作阳极并加上一定的直流电压时，由于电化学反应在阳极金属表面上形加上一定的直流电压时，由于电化学反应在阳极金属表面上形成氧化物薄膜，这个过程称为阳极氧化成氧化物薄膜，这个过程称为阳极氧化第34页，本讲稿共52页第五章溶液镀膜法第五章溶液镀膜法阳极氧化分类：阳极氧化分类：恒压阳极氧化和恒流阳极氧化
24、恒压阳极氧化和恒流阳极氧化钛及钛合金是一种质轻、刚度大、硬度低、耐蚀性强的特殊金属材钛及钛合金是一种质轻、刚度大、硬度低、耐蚀性强的特殊金属材料料,具有许多优良性能具有许多优良性能,在国防尖端科技领域和民用工业方面均广泛在国防尖端科技领域和民用工业方面均广泛使用。但尽管钛及钛合金在许多独立的环境中具有极强的抗蚀性能使用。但尽管钛及钛合金在许多独立的环境中具有极强的抗蚀性能,但在与其它金属接触共存时但在与其它金属接触共存时,会产生危害性很大的接触腐蚀。虽然会产生危害性很大的接触腐蚀。虽然钛材在空气中产生的自然氧化膜具有一定的抗蚀性钛材在空气中产生的自然氧化膜具有一定的抗蚀性,但其耐磨、硬但其耐磨
25、、硬度、厚度等各方面的综合性能都不能达到实际应用需要度、厚度等各方面的综合性能都不能达到实际应用需要第35页，本讲稿共52页第五章溶液镀膜法第五章溶液镀膜法除油工艺条件如下：除油工艺条件如下：磷酸钠磷酸钠,g/L 30 70碳酸钠碳酸钠,g/L 20 25氢氧化钠氢氧化钠,g/L 5 15水玻璃水玻璃,g/L 10 20T C 70 90磷酸磷酸(d=1.7),g/L 17 34硫酸硫酸(d=1.8),g/L 368 386T,C 0 10电压电压,V 80 90DA,A/dm2 5 10脉冲频率脉冲频率,脉冲脉冲分分120 40第36页，本讲稿共52页第五章溶液镀膜法第五章溶液镀膜法利用阳极
26、氧化法制备的利用阳极氧化法制备的T2O5 和和Al2O3等介质薄膜已在电子工业等介质薄膜已在电子工业中得到了应用中得到了应用Ti及及Ti合金等生物医用材料已在牙科中获得了应用合金等生物医用材料已在牙科中获得了应用第37页，本讲稿共52页第五章溶液镀膜法第五章溶液镀膜法第三节微弧氧化沉积法第三节微弧氧化沉积法一、微弧氧化一、微弧氧化1.微弧氧化的概念微弧氧化的概念它是将它是将Al、Ti、Mg、Zr、Ta、Nb等金属及其合金等金属及其合金(阀金属阀金属)置置于电解液中，利用电化学方法，在该材料表面微孔中产生火花于电解液中，利用电化学方法，在该材料表面微孔中产生火花放电斑点，在热化学、等离子体化学和
27、电化学共同作用下，生放电斑点，在热化学、等离子体化学和电化学共同作用下，生成陶瓷膜层的阳极氧化方法成陶瓷膜层的阳极氧化方法它阳极氧化基础上发展起来的，它阳极氧化基础上发展起来的，但它在机理上，工艺上以及所但它在机理上，工艺上以及所生成的陶瓷膜性能上与阳极氧化相比存在着许多不同之处生成的陶瓷膜性能上与阳极氧化相比存在着许多不同之处 第38页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法AirElectrolyteDC power supply220 VSampleAnodeCathodeH2OH2O图2-1 微弧氧化装置的图示Fig.2-1 Schematic representation of
28、microarc oxidation setup第39页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法2.微弧氧化技术发展概况微弧氧化技术发展概况与电解相联系的火花放电现象是在一个多世纪以前由与电解相联系的火花放电现象是在一个多世纪以前由Sluginov首先发现的首先发现的 在三十年代由在三十年代由Gnterschulze和和Betz进行了详细的研究进行了详细的研究 七十年代由七十年代由Markov和和Coworkers研究和研究和发展了在弧放电处理的条件发展了在弧放电处理的条件下，在铝阳极表面沉积氧化物的技术下，在铝阳极表面沉积氧化物的技术 八十年代，俄罗斯和德国的研究者更为详细的研究了在各种
29、金属八十年代，俄罗斯和德国的研究者更为详细的研究了在各种金属的表面通过表面处理沉积氧化物的可能性，并被应用于工业生产的表面通过表面处理沉积氧化物的可能性，并被应用于工业生产中中 但只有当但只有当McNiell和和Gruss用用火花放电处理在含有铌的溶液中火花放电处理在含有铌的溶液中在镉阳极沉积铌酸镉时，实际的优点首次被开发出来在镉阳极沉积铌酸镉时，实际的优点首次被开发出来 第40页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法3.微弧氧化过程概述微弧氧化过程概述将将Ti、Al、Mg等阀金属及其合金置于电解质水溶液中，通电等阀金属及其合金置于电解质水溶液中，通电后，后，Ti、Al、Mg等等阀金属及
30、其合金的表面立即生成一层很薄阀金属及其合金的表面立即生成一层很薄的金属氧化物薄膜的金属氧化物薄膜 微弧氧化可以分为四个阶段：微弧氧化可以分为四个阶段：(1)无火花放电的阳极氧化阶段无火花放电的阳极氧化阶段(2)火花放电阶段火花放电阶段(3)微弧氧化阶段微弧氧化阶段(4)弧氧化阶段弧氧化阶段第41页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法利用表面产生的火花放电，在热化学、等离子体化学和电化学的利用表面产生的火花放电，在热化学、等离子体化学和电化学的共同作用下，在上述金属及合金的表面能够生成陶瓷膜共同作用下，在上述金属及合金的表面能够生成陶瓷膜 由于电解液的冷却作用，金属基体内温度由于电解液的
31、冷却作用，金属基体内温度低于低于100-150，此时，此时放电通道内微区瞬时温度和压力能达到放电通道内微区瞬时温度和压力能达到103-104 K和和102-103 MPa 上述的温度和压力将足以引起基体和电解液之间的等离子热化学上述的温度和压力将足以引起基体和电解液之间的等离子热化学反应，结果由微弧氧化所生成的陶瓷膜层物质由基体元素和电解反应，结果由微弧氧化所生成的陶瓷膜层物质由基体元素和电解液中的元素构成液中的元素构成 第42页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法4.微弧氧化机制微弧氧化机制微弧氧化是从阳极氧化发展起来的技术。尽管由阳极氧化方法所获得微弧氧化是从阳极氧化发展起来的技术
32、。尽管由阳极氧化方法所获得的氧化膜层已在工业领域获得广泛的应用，但阳极氧化机理还没有弄的氧化膜层已在工业领域获得广泛的应用，但阳极氧化机理还没有弄清清 微弧氧化的机理远比阳极氧化机理复杂，从而缺乏明确的认识微弧氧化的机理远比阳极氧化机理复杂，从而缺乏明确的认识 第43页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法正因为如此，有关此技术的很多术语被使用：正因为如此，有关此技术的很多术语被使用：在国内，有微弧氧化在国内，有微弧氧化(microarc oxidation)，微等离子氧化，微等离子氧化(micro-plasma oxidation)等等plasma electrolytic oxida
33、tion(等离子电解氧化等离子电解氧化)microarc oxidation(微弧氧化微弧氧化)micro-plasma oxidation(微等离子氧化微等离子氧化)anode spark electrolysis(阳极火花电解阳极火花电解)plasma electrolytic anode treatment(等离子电解阳极处理等离子电解阳极处理)anode oxidation under spark discharge(火花放电阳极氧化火花放电阳极氧化)anodic oxidation(阳极氧化阳极氧化)anodic plasma-chemical treatment(阳极等离子化学处理
34、阳极等离子化学处理)anodic spark deposition(阳极火花沉积阳极火花沉积)等等第44页，本讲稿共52页金属电极的阳极过程大体包括两种情况：金属电极的阳极过程大体包括两种情况：微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法在研究钝化现象时，成相膜理论被人们所接受，此理论认为金在研究钝化现象时，成相膜理论被人们所接受，此理论认为金属表面上出现钝化现象是由于金属溶解时在表面上生成紧密的、属表面上出现钝化现象是由于金属溶解时在表面上生成紧密的、覆盖性良好的固态产物独立相覆盖性良好的固态产物独立相(成相膜成相膜)，把金属表面和溶液机械，把金属表面和溶液机械地隔开来，使金属的溶解速度大大降低地隔开来，使
35、金属的溶解速度大大降低 这种在金属表面上生成的固体反应产物是在非平衡条件下的介稳反应产这种在金属表面上生成的固体反应产物是在非平衡条件下的介稳反应产物。另外，在金属表面上生成的固体反应产物并不构成出现钝态的充分物。另外，在金属表面上生成的固体反应产物并不构成出现钝态的充分条件条件 第45页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法因此，只有哪些直接在金属表面上生成的、致密的金属氧化物因此，只有哪些直接在金属表面上生成的、致密的金属氧化物(或其他或其他盐盐)层才有可能导致出现钝态。而出现钝态金属的表面行为取决于氧化物层层才有可能导致出现钝态。而出现钝态金属的表面行为取决于氧化物层的性质的性质(
36、电子和离子导电性、溶解速度等电子和离子导电性、溶解速度等)。在在Ti、Mg、Al、Ta、Nb及其及其合金等阀金属的表面上生成的氧化物是合金等阀金属的表面上生成的氧化物是致密的，具有无定形结构和高电阻，其稳定钝态的电势范围可达到致密的，具有无定形结构和高电阻，其稳定钝态的电势范围可达到几十伏甚至几百伏几十伏甚至几百伏 第46页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法当施加的电压达到某一临界值时，由于机械和电子雪崩作用，这种当施加的电压达到某一临界值时，由于机械和电子雪崩作用，这种钝态的绝缘膜被击穿，发生火花放电，此时进一步促进膜的生长钝态的绝缘膜被击穿，发生火花放电，此时进一步促进膜的生长
37、Ti、Mg、Al、Ta、Nb及其及其合金能够被微弧氧化处理合金能够被微弧氧化处理 由于膜具有一些离子导电性，膜的继续生长和金属离子的缓慢溶解是透过膜由于膜具有一些离子导电性，膜的继续生长和金属离子的缓慢溶解是透过膜实现的实现的 当金属及其合金的表面上生成了完整的钝化膜后，由于此时生成的当金属及其合金的表面上生成了完整的钝化膜后，由于此时生成的钝化膜的厚度只有几十埃而膜两侧的电势差约有零点几伏到几伏，钝化膜的厚度只有几十埃而膜两侧的电势差约有零点几伏到几伏，因此钝化膜内的电场强度达因此钝化膜内的电场强度达108-109 V/m 第47页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法此时，在电极附近
38、区域由阳极氧化作用而释放出此时，在电极附近区域由阳极氧化作用而释放出O2首先被击穿产首先被击穿产生等离子体生等离子体 目前的研究表明，微弧氧化包含了以下几个基本过程：目前的研究表明，微弧氧化包含了以下几个基本过程：(1)空间电荷的形成空间电荷的形成(2)在氧化物孔中产生气体放电在氧化物孔中产生气体放电(3)膜层材料的局部熔化膜层材料的局部熔化(4)热扩散热扩散(5)胶体微粒的沉积胶体微粒的沉积(6)带负电的胶体微粒迁移进入放电通道带负电的胶体微粒迁移进入放电通道(7)等离子体化学和热化学反应等离子体化学和热化学反应第48页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法第49页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法第50页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法第51页，本讲稿共52页微弧氧化沉积法微弧氧化沉积法5.微弧氧化分类微弧氧化分类从电流和电压的变化规律上：从电流和电压的变化规律上：(1)恒流氧化法恒流氧化法(2)恒压氧化法恒压氧化法从电源上：从电源上：(1)直流电源氧化法直流电源氧化法(2)交流电源氧化法交流电源氧化法(3)直流脉冲电源氧化法直流脉冲电源氧化法(4)交流脉冲电源氧化法交流脉冲电源氧化法第52页，本讲稿共52页