镀层内应力

金属电沉积得到的镀层内部通常处于应力状态之中，这种应力是没有外力和温度场存在下出现在沉积层内部的应变来，称为内应力。内应力分为张应力和压应力，前者通常为正值，后者通常为负值。2100433B

纳米固体颗粒的加入能显著提高复合镀层的性能,因此纳米材料在复合镀层中的研究应用具有很好的发展前景。但受复合镀层发展本身的局限,以及受现阶段对纳米材料的认识限制,纳米复合镀层的研究与应用刚刚起步。特别是纳米复合镀层颗粒与金属离子的共沉积机理,纳米颗粒在镀液中及镀层中的均匀分散等关键问题仍未得到圆满的解决,在镀层中的行为与作用机制研究基本上是一片空白。这些工作的欠缺使人们对镀层性能的控制受到限制,因而不能很好地满足对镀层性能的需要。因此有关纳米复合镀层的工作尚待进一步研究,纳米复合镀层的研究应用可以说是充满了机遇与挑战 。

纳米量级的颗粒在理论上可大幅提高镀层中的化合物复合量,而且纳米颗粒的引入,会给镀层带来优异的功能特性。开发较多的有镍基、锌基、铜基和银基等镀层。按用途可分为装饰防护性镀层、耐磨减摩镀层、耐高温镀层等。

镀层装饰防护性复合镀层

在电镀微孔铬镀层时,以含纳米SiO₂、BaSO₄、高岭土等的镍基镀层打底,并用镍封闭。因为在表面镀铬时不导电的颗粒就形成了铬镀层的微孔,具有独特的耗散腐蚀电流特性,极大地提高了其耐蚀性。近年来,飞速发展的缎面镍就是分别含有高岭土、玻璃粉、滑石粉或BaSO₄ 、Al₂O₃ 等的镍基复合镀层,其结晶细致、孔隙少、内应力低、耐蚀性好,外观柔和舒适,如果用相应的纳米粉其性能效果更好;用纳米TiO₂、SiO₂等制得的复合镀层比普通锌镀层的耐蚀性提高2～5倍,外观也得到稳定和改善。

镀层耐磨减摩复合镀层

此类复合镀层就是在基体中加入硬度较高的如SiC、Al₂O₃、纳米金刚石(DNP) 等硬质纳米颗粒,当弥散分布在基体中时能有效地细化基质金属来提高基质金属的硬度。因此在制备复合镀层时受到极大的关注。采用静压法所得的金刚石颗粒较粗,且具有尖锐棱角,应用受到限制。纳米金刚石因其特异的性质和在镀液中的特有行为,在复合镀层中的应用日益广泛。如化学镀Ni₂P镀层的磁盘基板表面若采用含DNP的复合镀后,可减摩50%。用来生产磁头和磁性记忆储存器磁膜的Co2P化学镀液中添加DNP形成复合镀层,其耐磨性提高2～3倍。用于模具镀铬的DNP复合镀层,寿命提高,精密度持久不变,长时间使用镀层光滑无裂纹。用于钻头镀铬的DNP复合镀层,使钻头寿命成倍提高。汽车、摩托车汽缸体(套)的Ni金刚石纳米复合镀层,可使汽缸体寿命提高数倍。

用电镀特别是电刷镀法可以比较容易地在大尺寸部件上制成含纳米粉的复合镀层。国内有人用电镀与电刷镀的方法制成了含纳米金刚石粉的复合镀镍层,与不含金刚石粉的普通镀镍层相比,其硬度增加一倍以上,耐磨性能的提高更为明显。俄罗斯已制成含纳米粉复合镀层的工具,并已投入小批量生产,其硬度和耐磨性均有比较明显的提高。碳纳米管由于其优异的力学性能也在复合镀层中得到应用。

金属表面制得了含碳纳米管的镍磷复合镀层。该复合镀层具有高耐磨性、低摩擦系数、高热稳定性、自润滑等优异的综合性能。其耐磨性比无镀层的高1000倍,比Ni₂P/SiC 复合镀层高10倍以上,并可广泛应用于航空航天、机械、化工、冶金、汽车等各种行业。

将纳米陶瓷颗粒等加入镀层中,能显著提高镀层的机械性能。在快镍镀液中加入纳米SiC 和Al₂O₃ ,能大幅度提高镀层的耐磨性和硬度,纳米颗粒主要分布在镀层缺陷处和镀层镍晶粒处。

MoS₂、PTFE等纳米颗粒由于其较低的硬度和良好的润滑性能而被用于减摩复合镀层中。对含金刚石(27%～30%) 、石墨和少量无定型碳的纳米量级的黑粉制得的镍基复合镀层的检测结果表明,复合镀层呈非晶化趋向,其硬度和耐磨性能明显改善,而且还具有较好的自润滑性。将100nm左右的PTFE颗粒加入到化学镀液中,获得了均匀的PTFE复合镀层,且该镀层具有优异的摩擦学性能,其摩擦因数比Ni₂P镀层低很多;同时增强了镀层的抗粘着磨损能力。

镀层耐高温复合镀层

纳米陶瓷颗粒的耐高温特性和抗高温氧化性能也受到人们的重视,将纳米陶瓷颗粒应用在耐高温复合镀层中能有效地提高镀层的抗高温性能。与微米粉相比,纳米粉的加入可显著改善镀层的微观组织,提高镀层的耐高温性能。ZrO₂具有良好的功能特性,在复合材料中得到广泛应用。将纳米ZrO₂颗粒与化学镀Ni₂P非晶合金共沉积,再经适当的热处理使Ni₂P非晶化成纳米颗粒可获得纳米Ni₂P/ZrO₂功能涂层。纳米Ni₂P/ZrO₂功能涂层由于纳米ZrO₂ 颗粒的存在,复合镀层的纳米尺寸更加稳定,因而复合镀层具有更高的高温硬度和耐高温性能。研究表明,Ni₂W₂B非晶态复合镀层中纳米ZrO₂的作用是提高镀层在550～850℃的抗高温氧化性能,可使镀层耐磨性提高2～3倍,同时镀层的耐磨性和硬度也明显提高。航空航天和燃气轮机的某些部件工作温度在850℃以上,而镀Ni、Ni₂P和Cr层只能在低于400℃以下工作,钴基复合镀层,如Co₂Cr₃C₂、Co₂ZrB₂和Co₂SiC的出现,大大提高了高温耐磨性能,但采用钴基纳米金刚石复合镀纳米复合镀层的研究现状层更具有明显优势。如用于发动机级间的密封圈、摩托车铝合金缸体的复合镀层,由于能承受500℃以上的高温,有更长的使用寿命;若在镀层中采用短杆纳米金刚石微晶,由于同镀层的结合面积大,摩擦时不易剥落,效果更好。

由于添加物的加入对复合镀层的性能有较大的影响,因此有些研究者也探讨了包括稀土在内的添加物的作用。稀土氧化物La₂O₃ 纳米粒子加入,使镍基复合镀层的晶粒明显细化,抗高温氧化能力得到明显提高。

镀层电子复合镀层

随着信息产业的迅速发展,复合镀层在电子工业中使用可以节约大量的贵金属材料并可以获得优异的性能,因此也得到广泛应用。如常用的电接触材料复合镀层有:Au₂Ni/ Al₂O₃ ,Au₂Co/Al₂O₃ ,Au/ Al₂O₃ , Au/ ZrB₂ , Ag/ ZrB₂ , Ag/ 石墨, Ag/ Ce (OH)₃ , Ag/La₂O₃ 等。但如采用纳米金刚石与银共沉积,形成复合镀层,能在保持其良好的导电性能的同时,大大增强镀层的耐磨性和导热性能。金刚石的导电导热性能比金、银高得多,且具有强化耐磨作用,纳米金刚石作为镀层的重要组分,可使电接触材料的寿命提高2 倍以上 。