2 Cu-SiC复合镀层
SiC是一种陶瓷微粒,兼具高硬度、耐磨损和耐高温氧化等优点。以其作为添加微粒与基质金属铜共沉积,有望制备出集各自优势性能于一体的Cu-SiC复合镀层,进一步拓宽铜基复合镀层的应用空间。马春阳等[10]和王金东等[11]分别采用机械搅拌电沉积方法和超声波-机械复合搅拌电沉积方法,实现纳米尺度的SiC微粒与铜离子共沉积,获得Cu-SiC纳米复合镀层。前者利用摩擦磨损试验机考察了复合镀层的耐磨性。实验发现:耐磨性不同程度地受电流密度、机械搅拌速率、SiC微粒的添加量及镀液PH值影响。采用正交试验法,优选出制备具有良好耐磨性的Cu-SiC纳米复合镀层的工艺参数组合。后者同样优选出制备具有良好耐磨性的Cu-SiC纳米复合镀层的工艺参数组合,并对复合镀层磨损前后的形貌进行了对比。Zhu J H等[12]开发出一种能有效促使SiC微粒与铜离子共沉积的组合添加剂,并研究了添加剂的用量、机械搅拌强度和电流密度等工艺参数对复合镀层中SiC的质量分数的影响。Li X L等[13-14]采用电刷镀方法制备Cu-SiC复合镀层,并开展了专题研究。相继观察了刷镀速率、刷镀时间和电流密度对复合镀层形貌的影响规律,分析了SiC微粒的添加量和刷镀电压对复合镀层显微硬度的影响规律,以及电流密度和SiC微粒的质量分数对复合镀层耐磨性的影响规律。同时,对电刷镀制备Cu-SiC复合镀层的机制进行了探讨,表征了晶粒形态、尺度及分布状况,揭示了晶粒的生长模式及微粒与晶粒共沉积的过程。
3 Cu-SiO2复合镀层
与SiC微粒类似,SiO2微粒也具有耐磨损、高硬度等优点,并且在耐腐蚀方面同样表现优良。作为一种细氧化物粉体,SiO2在制备铜基复合镀层方面也有一定的应用。但相比较而言,围绕Cu-SiO2复合镀层的研究尚未铺展开,截至目前仅有为数不多的文献报道。曹玉瑞等[15]采用超声波电沉积法制备出Cu-SiO2纳米复合镀层。实验发现:复合镀层的组织结构随电流密度的增加渐趋稀松,而随超声波功率的提高先改善后恶化;显微硬度则随电流密度的增加和超声波功率的提高呈现出相似的变化趋势。利用常规的电沉积工艺,王文芳等[16]和王法斌等[17]同样制得Cu-SiO2纳米复合镀层。前者借助扫描电镜观测发现:所得复合镀层的结构较为致密,但致密度和晶粒尺寸均受复合微粒的粒度及工艺参数影响。同样,显微硬度测定和磨损试验结果也表明:复合镀层的显微硬度和耐磨性均随工艺参数的改变出现明显波动。合理设定参数条件有利于制备出结构致密、性能优良的Cu-SiO2纳米复合镀层。后者则针对Cu-SiO2纳米复合镀层的耐蚀性,运用浸泡腐蚀失重法、电化学测试等方法展开评价。对于Cu-SiO2复合镀层,除表征其组织结构和分析其物化性能外,其中SiO2微粒的嵌合量也是关注的方面。王莉萍等[18]的研究表明:Cu-SiO2复合镀层中SiO2微粒的质量分数随镀液中微粒的质量浓度的升高和沉积时间的延长而升高,并且施加超声波有助于微粒的质量分数的提升。同时,还研究了微粒的质量浓度和沉积时间对共沉积速率的影响规律。
除此之外,谭澄宇[19]和贺春林等[20]还分别研究了Cu-ZrW2O8复合镀层、Cu-TiO2复合镀层的结构与性能。
纳米复合镀技术的研究始于20世纪90年代,由于纳米材料宏观量子隧道效应、表面和界面效应、具有量子尺寸效应、小尺寸效应等等,而呈现出独特的宏观物理及化学特性,所以纳米材料迅速被应用于表面防护,在纳米电镀领域取得一定进展,目前较成熟纳米表面技术有纳米热喷涂技术、纳米电刷镀技术、纳米减摩自修复添加剂技术及金属材料表面自身纳米化技术。在电镀、化学镀、电刷镀中添加纳米颗粒制备复合镀层,该复合镀层比普通复合镀层的性能更优异,并且复合镀层可大大提高镀层的工作温度、硬度、耐磨性、耐蚀性等等。目前国内外学者己制备出多种具有不同性能的纳米复合镀层。近20年,纳米晶、纳米线、纳米管的纳米复合电沉积得到了发展,一些具有特殊性能的纳米复合镀层在多个领域得到应用:如磁致电阻镀层在电子储存系统上的应用、高电阻镀层在印刷电路板上的应用、高显微硬度的镀层在微机电系统的应用。现有的文献对直径4~800nm的多种纳米粒子与金属共沉积的研究都有报道,这些粒子包括Al2O3、Cr、C、SiC、Au、SiO2、ZrO2、TiO2、PS、Si3N4,其中Al2O3报道最多,而共沉积用金属主要有铜、镍[21-29]。
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