《超声电铸镍_氧化铈纳米复合材料的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声电铸镍_氧化铈纳米复合材料的研究.pdf（4页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、2007年第26卷4月第4期机 械 科 学 与 技 术Mechanical Science and TechnologyAprilVol.262007No.4收稿日期:2006206219基金项目:清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金项目(SKLT04203),河南省高校创新人才基金项目(20052126)和河南科技大学重大科学前期预研专项(2004ZD003)资助作者简介:孙 勇(1982-),男(汉),四川,硕士研究生,sunyong-孙 勇超声电铸镍 2 氧化铈纳米复合材料的研究孙 勇1,薛玉君1,李济顺1,2,马 伟1,李 航2(1河南科技大学 机电学院,洛阳 471003;2河南省机
2、械设计及传动系统重点实验室,洛阳 471003)摘 要:在电铸工艺中引入超声波,制备了Ni2CeO2纳米复合材料,考察了超声波对电铸速率、电流效率的影响,并对纳米复合材料的表面形貌和显微硬度进行了分析和测试。结果表明,超声波可以提高电铸速率和电流效率,使CeO2纳米颗粒更加均匀地弥散于纳米复合材料中。与无超声下制备的Ni2CeO2纳米复合材料相比,超声作用下制备的纳米复合材料的晶粒得到细化,其组织更加均匀致密、表面更平整,纳米复合材料的显微硬度明显提高。关 键 词:超声波;电铸;CeO2纳米颗粒;纳米复合材料中图分类号:TQ153.4 文献标识码:A 文章编号:100328728(2007)0
3、420487204Study of Ultrasound Electroform i ng of Ni2CeO2NanocompositesSun Yong1,Xue Yujun1,Li Jishun1,2,MaWei1,Li Hang1(1School of Electromechanical Engineering,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003;2Henan KeyLaboratory ofMordernMechanicalDesign and Trans mission System,Luoyang 4
4、71003)Abstract:Ni2CeO2nanocomposites were obtained by using electrofor ming process with ultrasound irradiation.Effects of the ultrasound on electrofor ming velocity and current efficiencywere evaluated.The surfacemorphology ofthe Ni2CeO2nanocompositeswas analyzed.The microhardness of the nanocompos
5、ites was also tested.The resultsindicate that,ultrasound can improve the electrofor ming velocity and current efficiency.Meanwhile,CeO2nanopar2ticals disperse more uniform in the nanocomposites due to ultrasound irradiation.The craystalline grain ofNi2CeO2nanocomposite preparedwith ultrasonic irradi
6、ation is further refined,and theNi2CeO2nanocomposite hasmore com2pact and unifor m microsturcture,smoothermorphology,compared to the nanocomposite prepared without ultrasoundirradiation.The microhardness of the nanocomposite prepared with ultrasound irradiation is greatly enhanced.Key words:ultrasou
7、nd;electroforming;CeO2nanoparticle;nanocomposite 纳米复合电铸技术是利用电铸原理,使纳米颗粒与基质金属共沉积,以获得具有某些特殊功能的纳米复合材料及其制品的一种特种加工工艺。纳米颗粒的高表面能特性使其在电沉积过程中容易团聚,从而影响纳米复合材料的性能,不能充分发挥纳米复合电铸技术的优势。超声分散是降低纳米颗粒团聚的有效方法之一,与其它传统分散方法(机械搅拌、化学改性和分散剂分散)相比,超声分散更容易实现介质均匀混合、消除局部浓度不均匀、提高反应速度、对团聚体起到剪切作用,并且超声波还具有对电沉积过程的强化作用,可以细化基质金属晶粒,促进纳米颗粒与
8、金属共沉积1。此外,超声波分散还具有操作简单、分散速度快和无污染的特点2。稀土氧化物纳米颗粒不但具有纳米材料的尺寸效应、表面效应等,更因稀土氧化物能明显改善金属的抗高温氧化性、耐腐蚀性和韧性等3,4,引起了广大学者的关注。Ni2La2O3纳米复合材料具有较高的显微硬度和良好的耐磨性,复合材料中La2O3含量越高,其显微硬度就越高,耐磨性也越好5,6。利用电沉积法获得的Ni2CeO2纳米复合材料具有较高硬度,优良的耐磨性、耐蚀性和抗高温氧化性7。机 械 科 学 与 技 术第26卷 本文基于超声波在电沉积中的作用和机理,在超声场中利用电铸技术制备了Ni2CeO2纳米复合材料,着重分析了超声波对电铸
9、速率、电流效率以及纳米复合材料表面形貌和显微硬度的影响。1 试验部分1.1 试样制备试验所用阴极为不锈钢片,阳极为纯度99.9%的电解镍板,极间距为40 mm。电源采用TPR3010H恒流稳压电源。试验时将电铸槽置于超声场中,对镀液施加超声波,配以潜水磁力搅拌器进行搅拌。每次试验时间为60 min。基础镀液组成为NiSO46H2O300 g/L,NiCl210 g/L,H3BO440 g/L,C12H25SO4Na 0.2g/L,所选用试剂为分析纯或化学纯,CeO2纳米颗粒直径为30 nm左右。试验工艺参数为:pH值3.8,CeO2纳米颗粒添加量40 g/L,阴极电流密度4 A/dm2,磁力搅
10、拌速率600 r/min,超声频率28 KHz,超声功率300 W。由于超声波是能量波,对镀液温度有影响,电沉积过程中温度无法精确控制,范围为4560。为使纳米颗粒充分润湿且均匀分散于镀液中,试验前对镀液进行超声分散处理30 min。1.2 试样检测纳米复合材料厚度采用JS M25610LV扫描电子电镜(SEM)对纳米复合材料断面进行观测,并用扫描电子电镜观察纳米复合材料表面形貌,对纳米复合材料进行成分分析。采用分析天平测定纳米复合材料的质量。在HVS21000型数显显微硬度计上测定纳米复合材料显微硬度,载荷0.49 N,保持时间10 s,对每个试样的中央和4角边缘处进行测定,取其平均值。2
11、超声波对电沉积的作用和机理超声波具有比普通声波强大得多的功率,超声波在液体介质中的巨大能量能使介质质点获得很大的加速度,还能引起空化作用。其在介质中传播时的平均声功率计算公式为8 W=CV2S2=PAV0S2(1)式中:W是声波在介质中传播时的平均声功率,单位为W;是介质的密度,单位为kg/m3;C是声波在介质中的传播速度,单位为m/s;V是介质质点的振动速度,单位为m/s;S是垂直于声波传播方向的介质面积,单位为m2;PA是交变声压幅值,单位为Pa;V是介质的体积,单位为m3。超声空化是指在声波作用下,存在于液体中的微小气泡(空穴)所发生的一系列动力学过程:振荡、扩大、收缩和崩溃,是声场能量
12、迅速集中并释放的过程。气泡或空穴闭合崩溃的瞬间将伴随产生一系列高压、高热和光电等物理效应8。一般认为,超声波对复合电沉积过程的作用机理主要有以下几个方面1,8,9:(1)对沉积过程的强化作用。通过超声空化微射流形成对溶液的强烈搅拌作用,可加强离子的运输,减小扩散层的厚度和浓度梯度,降低浓差极化,加快电沉积过程。(2)细化晶粒作用。超声空化产生局部高温高压的同时会造成邻近局部瞬时低温,阻止晶粒生长,减小临界晶核半径,提高形核率。(3)对纳米颗粒的搅拌分散作用。超声空化作用可以粉碎团聚的纳米颗粒团,使纳米颗粒在微观上均匀分布;超声空化所产生微射流对溶液形成强烈搅拌,使纳米颗粒宏观上更加均匀分布于溶
13、液中。3 结果与分析3.1 电沉积速率和电流效率电铸速率计算公式为V=dt(m/h)(2)式中:d为纳米复合材料厚度;t为通电时间。电流效率的计算采用如下公式=mw%(kIt)-1100%(3)式中:m为沉积层的质量;w为基质金属Ni在电铸材料中的质量百分比;k为基质金属的电化当量,在本研究中,镍的电化当量k=1.095 g/Ah;电流I=4 A/dm2,通电时间为t=1 h。表1 超声波对电铸速率和电流效率的影响试样电铸速率(m/h)电流效率(%)纯镍34.281.4超声纯镍37.692.8Ni2CeO2纳米复合材料36.775.5超声Ni2CeO2纳米复合材料39.588.1表1给出了超声
14、波对电铸速率和电流效率的影响。可以看出,对于同一材料而言,超声作用下的电铸速率和电流效率都明显高于无超声时的电铸速率和电流效率。超声电铸Ni2CeO2纳米复合材料的电铸速率最高,达到39.5m/h。而超声电铸纯镍的884第4期孙 勇等:超声电铸镍 2 氧化铈纳米复合材料的研究电流效率最大,为92.8%。分析认为,超声空化过程所产生的高速微射流对溶液的强烈搅拌作用,加强了离子的输运能力和氢气的逸出,减小了扩散层厚度和浓度梯度;同时,使阴极表面附近的纳米颗粒和金属离子的浓度大大提高,降低了阴极极化,使电极过程加快,从而提高了电流效率和电铸速率。3.2 表面形貌图1为纯镍材料和超声纯镍材料的表面形貌
15、。从图1可以看出,纯镍材料表面较粗糙,晶粒粗大且不均匀,呈山峰低谷状(图1(a);而超声纯镍材料与纯镍材料相比,其组织比较均匀、晶粒明显得到细化,且表面粗糙程度也有所降低(图1(b)。图1 纯镍材料SEM照片可见,超声对纯镍材料起到了细化晶粒的作用。首先,在电铸纯镍过程中引入超声时,正在长大的晶体会被空化泡闭合时产生的高温、高压击碎,阻碍了晶粒的长大,并且被击碎的晶体分散到基体上邻近部位形成均匀分布的小晶核,从而增加了晶核数,细化了晶粒;其次,在超声产生空化气泡和气泡膨胀的过程中,将需要吸收大量的能量,这就使气泡周围产生局部低温,气泡所产生的低温将阻止晶粒继续长大,从而自然形成新的晶核,达到细
16、化晶粒的目的。图2(a)和图2(b)分别是在有超声和无超声两种条件下得到的Ni2CeO2纳米复合材料的表面形貌照片。可以看出,在超声作用下得到的Ni2CeO2纳米复合材料的组织均匀细致,表面粗糙度也明显降低,无明显的团聚现象。而无超声作用时,Ni2CeO2纳米复合材料组织较粗大,且不均匀,表面凹凸不平,并且有大量微米级的团聚纳米颗粒团出现。可以得出,在电沉积Ni2CeO2纳米复合材料的过程中引入超声波,不仅可阻止纳米颗粒团聚,而且使晶粒得到细化,表面更加平整,组织更致密。图2Ni2CeO2纳米复合材料SE M照片分析认为,由于超声空化作用于团聚的纳米颗粒团,可以将纳米颗粒团强行粉碎为较小的纳米
17、颗粒团或单个的纳米颗粒;超声波的空化效应带来微射流,可使纳米颗粒宏观均匀分布于镀液中。被超声充分分散的CeO2纳米颗粒可以均匀地与基质金属共沉积,在沉积过程中不仅可以阻碍基质金属晶体的长大,而且可以成为基质金属沉积的晶核,从而细化晶粒。对比图1和图2可得出,在超声电铸Ni2CeO2纳米复合材料过程中,CeO2纳米颗粒起到主要的细化晶粒作用,其次是超声波的空化效应;超声波对CeO2纳米颗粒的搅拌分散作用,进一步促进了CeO2纳米颗粒细化晶粒的作用。3.3CeO2含量和显微硬度在无超声条件下所制备的Ni2CeO2纳米复合材料中CeO2含量为6.4%,超声条件下所制备的Ni2CeO2纳米复合材料的C
18、eO2含量为2.9%,前者是后984机 械 科 学 与 技 术第26卷者的2.2倍。在电铸过程中引入超声波,大大降低了纳米复合材料中CeO2的含量。其主要原因是:首先,Ni2CeO2纳米复合材料中存在较大的团聚纳米颗粒团,纳米颗粒团在6.4%的CeO2含量中占据有很大的比例,而在超声Ni2CeO2纳米复合材料中,纳米颗粒得到充分分散,几乎没有团聚的纳米颗粒团存在;其次,超声波是一种能量波,在镀液中容易产生机械扰动效应,当超声波的机械扰动效应作用在阴极表面时,有可能使已经吸附在阴极表面但未被牢固包裹的纳米颗粒脱离阴极,再次被流动的液体带回到镀液中;这两方面的原因致使超声Ni2CeO2纳米复合材料
19、中CeO2含量远低于Ni2CeO2纳米复合材料中CeO2含量。图3为在不同条件下获得的电铸材料的显微硬度。这些电铸材料的显微硬度从高到低依次为:超声Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度最高、Ni2CeO2纳米复合材料、超声纯镍、纯镍。图3 纯镍材料和Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度可见,超声波可以提高电铸材料的显微硬度。超声纯镍的显微硬度比普通纯镍的显微硬度高,超声Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度比普通Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度高。这主要是由于超声空化效应使基质金属的晶粒细化、组织更致密,从而电铸材料的显微硬度得到提高。CeO2纳米颗粒可以显著提高电铸材料的显微硬度。超声Ni
20、2CeO2纳米复合材料和普通Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度都明显高于超声纯镍和普通纯镍的显微硬度。这是因为CeO2纳米颗粒与基质金属共沉积,均匀地分散于纳米复合材料中,这些弥散于纳米复合材料中的CeO2纳米颗粒,在纳米复合材料中产生弥散强化效应,从而起到阻碍晶粒中的位错滑移,提高其显微硬度。超声Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度达到625 HV,是纯镍的2.37倍。其中起主要增幅作用的是CeO2纳米颗粒在纳米复合材料中产生弥散强化效应,其次是超声空化效应。4 结论(1)超声波对电铸纯镍和Ni2CeO2纳米复合材料的电铸速率和电流效率有一定的促进作用。(2)在电铸过程中引入超声,可获得表
21、面平整、组织致密、晶粒细小、无团聚纳米颗粒团的Ni2CeO2纳米复合材料;CeO2纳米颗粒起到主要的细化晶粒作用,其次是超声波的空化效应;超声波对CeO2纳米颗粒的充分搅拌分散作用,进一步促进了CeO2纳米颗粒细化晶粒的作用。(3)在超声条件下获得的Ni2CeO2纳米复合材料的显微硬度达到625 HV,是纯镍的2.37倍,较无超声条件下制备的Ni2CeO2纳米复合材料也明显提高;对显微硬度的提高起主要作用的是CeO2纳米颗粒在纳米复合材料中产生弥散强化效应,其次是超声空化效应对纳米复合材料组织的影响。参考文献1 吴蒙华,李智,夏法锋等.纳米Ni2Si3N4-X复合镀层的超声电沉积机理及工艺研究
22、J.材料保护,2004,37(7):29312 王广阔,马建伟.超声波对纳米材料分散性能影响的研究J.材料导报,2005,19(z1):1611653 李志勇,王宝,张汉谦.稀土氧化物对焊缝金属抗高温氧化腐蚀性能的影响J.稀土,1999,(2):57594 王宝森,李午申,冯灵芝.稀土氧化物对高硬度堆敷金属中夹杂物及组织的影响J.兵器材料科学与工程,2004,27(4):33355 薛玉君,朱荻,靳广虎等.复合电铸Ni2La2O3纳米复合材料的组织结构和性能 J.中国机械工程,2004,15(17):156915726 薛玉君,朱荻,赵飞.镍 2 氧化镧纳米颗粒复合电铸的研究J.机械科学与技术
23、,2004,23(12):141014137 Qu N S,Zhu D,Chan K C.Fabrication ofNi2CeO2nanocompos2ite by electrodeposition J.Scripta Materialia,2006,54(7):142114258 程敬泉,姚素薇.超声波在电化学中的应用J.电镀与精饰,2005,27(1):16289 Lan J,Yang Y,Li X C.Microstructure and microhardness of SiCnanoparticles reinforced magnesium composite fabricated by ultra2sonic method J.Materials Science and Engineering,2004,386(1-2):284290094