纳米复合电沉积技术研究进展

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1、第40卷第7期2007年7月《材料保护》纳米复合电沉积技术研究进展［摘要］介绍了纳米复合电沉积技术的研究现状，详细阐述了纳米复合电沉积屮电流密度、纳米颗粒特征、颗粒分散等三个因素对镀层性能的影响情况，指出了机理研究和工艺技术研究的发展方向。［关键词］纳米颗粒；fi合电沉积；沉积技术0前言纳米复合镀采用电镀或化学镀的方法，在普通镀液屮加入纳米固体颗粒，在搅拌状态十*，使纳米粒子与基质金属共沉积而得到复合镀层。20世纪60〜70年代，人们已制备出Cu—C复合镀层，该镀层在汽车轮轴表面有较好的S润滑作用，之后复合电

2、沉积获得较快发展u］。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：如磁致电阻镀层在屯子储存系统上的应用、高屯阻踱层在印刷电路板上的应用、高显微硬度的踱层在微机电系统的应用［2］,木文对此进行了综述。1纳米颗粒电沉积技术研究现状现有的文献对直径4〜800run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A1A、Cr、C、SiC、Au、Si02、Zr02、Ti02、PS、Si3N4,其中Al203报道最多；而共沉积用金属主要有铜、镍＞H］

3、。影响粒子与金属共沉积的工艺因素包括粒子特征、电镀液组成、电流密度、电极的流体力学因素和电极形状。木文就研究较为广泛的电流密度、颗粒类型和浓度以及纳米颗粒的分散等三个因素作了进一步的介绍。1.1电流密度各种稳态电化学方法在制备复合镀层中都冇应用，如直流、脉冲电流、脉冲反向电流法、恒电势法等。直流电沉积和脉冲电沉积的对比研究报道较多。脉冲电沉积在改变镀层结构、获得无裂纹的镀层、提高抗蚀能力和电流效率等方面冇较好效果。J.Steinbach等［12］在研究电沉积A1A厂Ni复合镀层时发现，在K•他条件相同的情况十

4、，直流电沉积A1A的平均粒径在30nni左右，而脉冲电沉积粒径在20nni左右，由于在反向电沉积吋大的颗粒易脱落。该技术在应用于AlA/Cu复合镀时获得了相的规律［13］。脉冲反向电流相对直流电沉积冇如不优点：镀层屮纳米颗粒的数量增多；镀液屮颗粒的浓度可以降低；可以选择沉积小颗粒。张欢详细研究了脉冲屯沉积方法在Ni—W一P—SiC等复合镀层上的应用，发现脉冲镀层表面比直流镀层光滑平整得多；脉冲镀层巾的微粒比直流镀层巾的微粒更细腻；脉冲电沉积工艺中，脉冲参数不同会得到表面平整度和粒度不同的镀层。Qu等用脉冲电流

5、加超声波搅拌电沉积方法得到丫颗粒分介均匀的Al203/Nifi合镀层，通过50.0Hz和5.6Hz两种频率超声波对比发现，大频率超声波时A1A沉积量减少、颗粒较大，但颗粒分布均匀。用直流加超声波搅拌方法研究80nmAl203/Ni复合沉积，结果表明，镀液屮旧2+浓度为0.20mol/L与1.27mol/L时相比,小浓度镀液的镀层中颗粒分散均匀、团聚少，颗粒平均粒径小，但有大量H析出，影响了电流效率和颗粒的吸附，减少了颗粒的沉积量。在A1A/Ni炱合电沉积试验屮发现，使用高的电流密度导致镀层表面粗糙，颗粒沉积量

6、较小。有研究指出［16］,复合电沉积32nmA1A/Ni时，在氯化物踱层中纳米颗粒作景在低电流时高，而柠檬酸盐踱层中纳米颗粒的介景在高电流时才高，且柠檬酸盐镀层中颗粒的含量相对前者高。两者在高屯流密度吋电流效率高。1.2纳米颗粒对电沉积特征的影响人们根据Langmuir等温吸附现象推测镀液屮颗粒的浓度与镀层屮颗粒的浓度的关系。金属镀层中颗粒的含量随溶液中颗粒浓度的升高而升高，至一定的含量达到饱和，颗粒越小，单位体积镀层可以进入的颗粒越多。50nmA1A与300nmA1A电沉积嵌入Ni镀层，前者踱层中颗粒的含量

7、明显高于后者［171。研究Ti02/Ni电沉积时发现，踱层中12nm锐钛矿型门02含量高于ltim的红宝石型TiO„前者镀层抗腐蚀性明显优于后者，但两者韦氏硬度相差不大［18］。纳米颗粒可以改变镀层沉积品体的微观形态。A.Lozano.Morales［19］在研究32nmY-A1203和Nifi合电沉积时发现，当颗粒在踱层中的含fi在0〜60g/L范网闪变化时，镀层表而由粗糙变光滑。L.Benea等

8、2°］研究发现，20nmSiC颗粒复合电沉积吋使Ni的还原电势正移，增大了电流密度，这可能是由于纳米颗粒的吸附

9、增大了明极表面积，形成了更多的结晶成核点所致。此时单个晶体的长大变慢，表现为表面形成微晶结构，从而提高丫硬度。在研究39nm的Cr与Ni的电沉积吋发现，Ni的平均粒径由42nm减小到31nmoX射线衍射分析表明，共沉积的颗粒拟制了Ni的生长方向，使表面一致，表面性能的提高不仅与沉积颗粒的景和颗粒的均匀分布冇关，而且与晶体结构冇关。根裾颗粒增强的复合紂料强化机制（Orowan机制），复合材料抗塑性变形