納米復合鍍工藝的研究現(xiàn)狀

引言

材料表面納米化是表面工程發(fā)展的新趨勢。使材料表面納米化的手段主要有3種：表面涂層或沉積、表面自身納米化以及二者的混合使用。目前研究較多的是第一種方法，該方法包括復合鍍、離子鍍、物理和化學氣相沉積、激光涂覆等。而復合鍍主要有復合電鍍(復合電沉積)、復合化學鍍和復合刷鍍?nèi)N技術(shù)，對于制備含有陶瓷顆粒的金屬基表面復合材料，復合鍍是—種較理想的方法。和其它方法相比，復合鍍具有如下特點：易于制備晶粒尺寸小于100nm的材料，對工件大小和形狀的要求較低以及易于從實驗研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H生產(chǎn)。納米復合鍍是在復合鍍基礎上發(fā)展起來的一種新工藝，它用納米顆粒代替了傳統(tǒng)復合鍍中使用的微米顆粒。納米材料具有許多奇特的性能，它的引入對復合鍍工藝產(chǎn)生了重大影響。因此納米復合鍍工藝已成為研究熱點之一。

1基質(zhì)材料表面鍍前處理

復合鍍使納米顆粒同金屬基體一起沉積在基質(zhì)材料的表面，基質(zhì)材料(substrate)的表面狀態(tài)和性質(zhì)將直接影響鍍層的生長以及鍍層與基質(zhì)的結(jié)合強度。鍍前處理對鍍層的性能有很大影響。制備不同性能的鍍層應采用相應的鍍前處理工藝，目前復合鍍常用基質(zhì)材料為鋼鐵材料和鋁合金，其鍍前處理方法分別如下：

(1)鋼鐵材料基質(zhì)的常用鍍前處理方法為：除油處理→活化處理→預鍍層處理。

(2)鋁合金基質(zhì)的常用鍍前處理方法為：除油→堿蝕→含氟混酸處理→浸鎳(或浸鎳鐵合金或鍍堿性化學鎳)。

總之，預處理的目的就是為了得到一個清潔、被活化的或穩(wěn)定的表面。復合鍍層的使用性能既與鍍層本身的性質(zhì)有關(guān)，也與基質(zhì)材料的性質(zhì)有關(guān)，尤其是基質(zhì)材料的表面狀態(tài)。因此，要制備高性能的鍍層材料，對于不同的基質(zhì)材料應采取相應的鍍前處理工藝。

2納米顆粒的分散

納米顆粒分散效果的好壞將直接關(guān)系到其在復合鍍層中的分布和復合量，進而影響復合鍍層的性能。納米顆粒因其比表面積大而極易發(fā)生團聚，其分散是納米復合鍍工藝中的一個技術(shù)難題。目前常用的分散方法有機械攪拌、空氣攪拌、超聲分散和添加活性劑的化學分散，其中超聲分散的效果較好。不同種類的納米顆粒其分散性不同，例如納米Al2O3顆粒的分散性不如納米SiC顆粒。在研究中，往往采用幾種分散方法相結(jié)合，下面介紹幾種復合鍍過程中常用納米材料的分散。

(1)碳納米管(CNTs)：由于CNTs的長徑比達到1000以上，加之本身是導電體，在電沉積過程中極易團聚。為此，一般首先采用球磨方式使CNTs變短，其次在溶液中添加表面活性劑使得CNTs表面附上非電層，最后經(jīng)超聲波震蕩將CNTs充分分散在溶液中。

(2)納米TiO2為保證TiO2粒子的充分分散，首先對其進行預處理，以減少表面能從而降低團聚力。然后對TiO2粒子分別進行空氣攪拌、超聲分散、超聲分散加表面活性劑的復合分散，最后將TiO2粒子懸濁液倒人鍍槽中稀釋均勻。

(3)納米SiC：利用表面活性劑的潤濕和分散作用對粉體進行表面改性，實現(xiàn)其在鍍液中的分散和穩(wěn)定。隨陽離子表面活性劑的增加分散效果變好，但陽離子表面活性劑濃度相同的情況下，隨SiC濃度的增加，其分散效果變差。

(4)納米Al2O3：在納米復合鍍工藝中，表面活性劑對納米顆粒的分散有重要作用。表面活性劑的正確使用，可以有效的分散納米粒子，增加復合鍍層納米粒子復合量以及納米粒子的彌散分布，改善復合鍍層的組織結(jié)構(gòu)，增加復合鍍層的硬度，提高復合鍍層的性能。另外，表面活性劑對鍍液也會產(chǎn)生影響，其濃度過高會使鍍液產(chǎn)生泡沫，黏度增加。因此在實際生產(chǎn)中應正確地選擇和使用表面活性劑。

3納米復合鍍工藝

目前常用的納米復合鍍工藝有納米復合電鍍、納米復合化學鍍以及納米復合刷鍍，這三種方法各有其特點。納米電鍍對形狀復雜工件較為實用，且可進行大量生產(chǎn)，但鍍層厚度可能會不均勻；相比之下，納米復合化學鍍可制得厚度均勻的鍍層；而納米復合刷鍍可用于對大尺寸零件的局部修復。因此在實際應用中應根據(jù)具體情況選擇復合鍍工藝。