超声波对纳米Ni-TiN复合镀层的影响

　　1 引言

　　频率在2x10⁴~2x10⁹Hz的声波,因超出人耳可闻的上限而被称为超声波[1]。当其强度超过一定值时,就可以通过它与传声媒质的相互作用,去影响、改变以至破坏后者的状态、性质及结构,称为功率超声。功率超声在媒质中传播时会产生机械效应、空化效应、热效应等。纳米复合镀层不仅具有较高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性等特点[2,3],还具有传统复合材料和现代纳米材料两者的优越性。已成为国内外学者研究和关注的热点[4~6]。

　　本文将超声波技术引入电沉积过程中,采用超声-电沉积方法制备纳米N-i TiN复合镀层。在试验的基础上,主要研究超声波对复合镀层的影响。把超声波和电沉积两种技术有机地结合起来,在金属表面获得性能优良的纳米N-i TiN复合镀层,为今后金属零件的表面改性提供一种新方法。

　　2 实验

　　2.1 实验材料及工艺

　　阴极为20钢,表面粗糙度Ra为0.05;阳极为镍板,纯度>99.99%。纳米TiN粒子的平均粒径为30nm,纯度>99.9%。镀液组成及工艺条件如表1所示。

　　2.2 复合镀层的制备

　　用适量的蒸馏水将纳米TiN粒子与表面活性剂混合,施加超声波对纳米TiN微粒进行分散(超声功率为200W,分散时间为15min),将TiN悬浮液与表1镀液混合;对混合液再施加超声波(超声功率为200W,分散时间为5min);按表1工艺条件,制得纳米N-i TiN复合镀层。

　　2.3 复合镀层的测试

　　利用AA-6800型原子吸收分光光度计对复合镀层中的纳米TiN粒子进行含量测定。用Tecna-i G2-20-S-Twin型高分辨电子显微镜对镀层进行显微组织观察。利用D/max 2400型X射线衍射仪进行物相结构分析,以CuKA作为激发源。

　　3 结果与讨论

　　3.1 超声波对复合镀层中粒子含量的影响

　　利用原子吸收分光光度计对不同超声波功率下制备的纳米N-i TiN复合镀层进行含量测定,如表2所示。由表2可知,在其它参数相同的条件下,超声波对镀层中纳米TiN粒子含量有较大影响。随着超声波功率的增大,纳米TiN粒子的含量先增大后减小。在超声波功率为200W时,镀层中粒子含量达到最大值9.9%。这是因为适当的超声波能促进纳米粒子与金属离子共沉积:为使纳米粒子易于沉积,在复合电沉积过程中通常加入一些表面活性剂,使原本中性的粒子吸附活性剂分子后带电,从而更容易被电极吸附而沉积。超声空化效应清洗掉原本附着在纳米微粒表面的气体和杂质,改善了粒子与溶液之间的润湿条件;同时也使粒子更易吸附活性剂分子,促进了粒子与金属离子的共沉积[7],并有去阴极极化的作用[8~10]。而超声波功率较大(300W)时,对镀液产生过度搅拌作用。一方面使得纳米TiN粒子激烈碰撞,引起纳米粒子的重新团聚;另一方面使得弱吸附在电极表面的纳米TiN粒子被再度冲刷到镀液中,影响纳米TiN粒子的定向沉积,造成镀层中纳米TiN粒子的含量减少。