脉冲电沉积制备颗粒增强金属基纳米复合材料的研究

根据电结晶理论和弥散强化理论，充分利用脉冲电沉积的技术优势和材料多元复合的协同优势，在普通碳钢表面制备具有均匀稳定显微组织、较高显微硬度、较好耐磨、耐腐蚀和抗高温氧化性的Ni-W-P/CeO2-SiO2颗粒增强金属基纳米复合材料；进行脉冲电沉积制备过程的成分设计优化、动力学优化(速率、机理)和过程优化(装置、条件)；进行脉冲电沉积过程的初期行为和生长过程，晶粒生长过程的织构、择优取向、纳米颗粒与基质金属间的相互作用以及金属基纳米复合材料与基体金属的界面结合方式等共性基础理论创新研究；最后进行腐蚀过程动力学和氧化过程动力学规律及机理研究；获得正面结果后，开发和建立工艺及设备优化配置的实验室水平的连续制备技术体系；研究工作对突破传统复合电沉积基础理论研究和应用技术中的瓶颈，提升化工、冶金及机械等设备零部件的装备水平，实现制备过程高效、节能和环境友好均具有较好的理论研究意义和实际研究价值。

本书系统阐述了脉冲电沉积技术及理论研究的相关进展，考察了电解液组成、工艺条件及脉冲参数对CeO2、SiO2颗粒增强Ni-W-P基纳米复合材料脉冲电沉积过程的影响，进行了制备过程的成分设计优化、动力学优化和过程优化，探讨了材料形成的热力学条件和双脉冲电沉积机理，考察了金属基纳米复合材料的晶化过程、界面结合方式，以及腐蚀过程和氧化过程的动力学规律和机理，探明了材料组元之间的相互作用机制，展望了金属基纳米复合材料的应用前景。

本书适用于从事新材料制备、金属表面处理、金属腐蚀与防护、电化学、冶金、机械、化工、电子及航天航空等领域科研和生产的技术人员以及高等院校的师生阅读和参考。

全书分九章，第一章为概述，第二章为实验及研究方法，第三章为电解液组成和工艺条件对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响，第四章为脉冲参数对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响，第五章为脉冲电沉积过程的初期生长行为及沉积机理，第六章为金属基纳米复合材料的晶化过程及界面结合方式，第七章为金属基纳米复合材料料的显微硬度及磨损性能，第八章为金属基纳米复合材料高温氧化和化学腐蚀行为及机理，第九章为金属基纳米复合材料性能比较及应用前景分析。

1 概论

1.1 概述

1.2 合金电沉积的条件及类型

1.2.1 合金电沉积的条件

1.2.2 合金电沉积的类型

1.3 电沉积法制备金属基复合材料的国内外研究进展

1.3.1 高硬度、耐磨金属基复合材料

1.3.2 耐蚀金属基复合材料

1.3.3 自润滑金属基复合材料

1.3.4 电催化活性金属基复合材料

1.3.5 电接触功能金属基复合材料

1.4 脉冲电沉积技术的研究进展

1.4.1 脉冲电沉积设备的状况

1.4.2 脉冲电沉积工艺的进展

1.5 复合电沉积机理的研究进展

1.6 描述复合电沉积过程的数学模型

1.6.1 Guglielmi模型

1.6.2 MTM模型

1.6.3 Valdes模型

1.6.4 运动轨迹模型

1.6.5 Hwang模型

1.6.6 Yeh和Wan模型

1.6.7 其他机理及模型

2 实验及研究方法

2.1 电解液组成及工艺条件

2.2 实验设备及参数

2.2.1 智能多脉冲电源的特点

2.2.2 智能多脉冲电源的输出参数

2.2.3 智能多脉冲电源输出的波形及参数计算

2.3 工艺流程

2.4 分析及测试方法

3 电解液组成和工艺条件对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

3.1 实验设备及参数

3.2 电解液组成对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

3.2.1 硫酸镍浓度的影响

3.2.2 柠檬酸浓度的影响

3.2.3 钨酸钠浓度的影响

3.2.4 次磷酸钠浓度的影响

3.2.5 n-SiO2颗粒浓度的影响

3.2.6 n-CeO2颗粒浓度的影响

3.2.7 表面活性剂的影响

3.3 工艺条件对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

3.3.1 电解液pH值的影响

3.3.2 电解液温度的影响

3.3.3 机械搅拌速度的影响

3.3.4 超声功率的影响

3.4 小结

4 脉冲参数对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

4.1 单脉冲参数对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

4.1.1 单脉冲导通时间的影响

4.1.2 单脉冲关断时间的影响

4.1.3 单脉冲峰值电流密度的影响

4.1.4 单脉冲占空比的影响

4.2 双脉冲参数对金属基纳米复合材料脉冲电沉积的影响

4.2.1 正向脉冲占空比的影响

4.2.2 反向脉冲占空比的影响

4.2.3 正向脉冲工作时间的影响

4.2.4 反向脉冲工作时间的影响

4.2.5 正向脉冲平均电流密度的影响

4.2.6 反向脉冲平均电流密度的影响

4.3 小结

5 脉冲电沉积过程的初期生长行为及沉积机理

5.1 脉冲电沉积过程的初期生长行为

5.1.1 电化学抛光工艺

5.1.2 金相腐蚀工艺

5.1.3 不同脉冲电沉积时间下的成分分析

5.1.4 不同脉冲电沉积时间下的表面形貌

5.2 脉冲电沉积机理

5.2.1 复合电沉积的热力学分析

5.2.2 电解液体系对脉冲复合电沉积的影响

5.2.3 脉冲工艺对脉冲复合电沉积的影响

5.2.4 纳米颗粒对脉冲复合电沉积的影响

5.2.5 双脉冲电沉积机理

5.3 小结

6 金属基纳米复合材料的晶化过程及界面结合方式

6.1 晶化过程

6.1.1 相结构分析

6.1.2 结晶度分析

6.1.3 晶粒尺寸分析

6.2 界面显微结构、元素分布及界面结合方式

6.2.1 界面显微结构分析

6.2.2 界面元素分布及界面结合方式

6.2.3 界面元素Kα电子分布图

6.3 小结

7 金属基纳米复合材料的显微硬度及磨损性能

7.1 显微硬度分析

7.2 磨损性能分析

7.3 小结

8 金属基纳米复合材料高温氧化和化学腐蚀行为及机理

8.1 氧化过程的动力学特征

8.1.1 氧化增重率与氧化温度的动力学特征曲线

8.1.2 氧化增重率与氧化时间的动力学特征曲线

8.1.3 氧化形貌特征分析

8.1.4 氧化机理探讨

8.2 腐蚀过程的动力学特征研究

8.2.1 腐蚀速率分析

8.2.2 腐蚀形貌特征分析

8.2.3 耐腐蚀性能分析

8.2.4 腐蚀机理探讨

8.3 小结

9 金属基纳米复合材料性能比较及应用前景分析

9.1 金属基纳米复合材料的性能比较

9.1.1 电沉积方式对金属基纳米复合材料性能的影响

9.1.2 脉冲电沉积金属基纳米复合材料与硬铬技术的比较

9.1.3 金属基复合材料之间的性能对比

9.2 金属基纳米复合材料的应用前景分析

9.3 小结

参考文献

脉冲电沉积过程中，除可以选择不同的电流波形外，还有三个独立的参数可调， 即脉冲电流密度、脉冲导通时间和脉冲关断时间。

采用脉冲电沉积时，当给一个脉冲电流后，阴极-溶液界面处消耗的沉积离子可在脉冲间隔内得到补充，因而可采用较高的峰值电流密度，得到的晶粒尺寸比直流电沉积的小。此外，采用脉冲电流时由于脉冲间隔的存在，使增长的晶体受到阻碍，减少了外延生长，生长的趋势也发生改变，从而不易形成粗大的晶体。电沉积纳米晶较多采用脉冲电沉积法，所用脉冲电流的波形一般为矩形波。

脉冲电沉积与直流电沉积相比，更容易得到纳米晶镀层。脉冲电沉积可通过控制波形、频率、通断比及平均电流密度等参数，从而可以获得具有特殊性能的纳米镀层。