Ni-P基納米復(fù)合鍍層研究現(xiàn)狀及展望

王 琦，畢曉勤

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

0 引言

與電鍍相比，化學(xué)鍍具有優(yōu)良的耐蝕性能和耐磨損性能，厚度均勻，高硬度和較高的結(jié)合強度，可對復(fù)雜形狀工件進行施鍍，使用范圍也較為廣泛，如電子、汽車等行業(yè)，然而隨著科技的發(fā)展，人們對鍍層性能的要求也日益提高，Ni-P鍍層已不能完全滿足要求。

復(fù)合鍍是用化學(xué)鍍的方法使金屬和固體微粒共沉積而獲得復(fù)合材料的工藝過程，其鍍層由形成復(fù)合鍍層的主體和分散微粒組成，復(fù)合鍍可獲得具有較高硬度、耐磨性、自潤滑性、耐熱性、耐蝕性等功能性鍍層，另外化學(xué)復(fù)合鍍可在各種基體表面覆蓋任意厚度的鍍層，其不需要高溫度就可獲得孔隙率低的合金鍍層［1-3］。各種功能性鍍層的出現(xiàn)也是材料的使用范圍更加廣泛，并且由于納米顆粒的獨特性能所獲得的鍍層也具有特殊的物化性能及力學(xué)性能。納米化學(xué)復(fù)合鍍層在結(jié)構(gòu)上與Ni-P鍍層相比也不盡相同，如多相結(jié)構(gòu)，納米顆粒作為第二相的存在可提高其塑變強度，同時可以細化晶粒［4-8］。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

近年來，由于科學(xué)技術(shù)的不斷進步，使得對納米材料的研究成為可能，逐漸出現(xiàn)了納米碳管、納米顆粒和納米晶體等新材料。納米材料由于其體積和單位質(zhì)量的表面積與固體材料有巨大差別，在達到一定的極限時使顆粒呈現(xiàn)出特殊的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，并決定著顆粒的最終物理化學(xué)性能。如下面幾種復(fù)合鍍層，不同納米顆粒所特有的性質(zhì)也決定了鍍層的性能。

1.1 Ni-P/納米PTFE復(fù)合鍍層

聚四氟乙烯(PTFE)具有優(yōu)良的物化性能如自潤滑﹑耐腐蝕性能，良好的介電性能、不黏性及化學(xué)穩(wěn)定性等，廣泛應(yīng)用在材料科學(xué)領(lǐng)域。由于PTFE粒子屬于軟相會導(dǎo)致復(fù)合鍍層整體的顯微硬度降低;與其他聚合物相比較，PTFE粒子具有較低的摩擦因數(shù)(0～0.05)和極低的剪切強度，隨著磨損進行，PTFE顯露出來富集于摩擦面作為固體潤滑，因此黏著磨損小，磨料磨損程度較輕。其自身的潤滑性能使鍍層具有良好的耐磨性能。Ni-P/PTFE鍍層，可以有效地提高Ni-P鍍層的耐磨性能［9-13］。

付傳起等［9］制備了Ni-P/PTFE自潤滑復(fù)合鍍層并對其組織結(jié)構(gòu)和磨損機制進行了研究，結(jié)果表明:通過鍍層的磨損形貌Ni-P鍍層磨損有明顯的犁溝，而復(fù)合鍍層的犁溝窄淺且斷續(xù)甚至消失，復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)和磨損量相比 于Ni-P鍍層有明顯的降低。其納米復(fù)合鍍層可能應(yīng)用在單位表面接觸壓力較高的工況。Ming Der Ger等［14］研究了Ni-P/PTFE復(fù)合鍍層的水潤滑系統(tǒng)。結(jié)果表明:摩擦系數(shù)與磨損性和鍍層的浸潤性密切相關(guān)，通過對其疏水/親水性的控制性可以提高耐磨損性能，減少磨損。

1.2 Ni-P/納米SiC復(fù)合鍍層

由于SiC本身具有較高的硬度、耐熱性、耐氧化性、耐腐蝕性，其被作為磨料、耐火材料、電熱元件、黑色有色金屬冶煉等用的原料。可應(yīng)用于極端條件下如航空航天工業(yè)領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)涂層、功能涂層、防護涂層以及吸波材料等，可作特殊用途的結(jié)構(gòu)陶瓷、電熱元件、拋光磨料、納米光材料等。其復(fù)合鍍層可獲得較高的硬度和耐磨耐腐蝕性能等?；瘜W(xué)鍍Ni-P/SiC鍍層的耐磨性遠超過硬鉻，可以顯著提高工件的使用壽命［15-19］。

李輝等［15］制備了Ni-P-納米SiC化學(xué)復(fù)合鍍層，并其組織、耐磨性及磁學(xué)性能進行了研究。結(jié)果表明:納米復(fù)合鍍層經(jīng)500℃/1 h熱處理達到最佳耐磨值，組織發(fā)生晶化，生成Ni3P相，相比 Ni-P鍍層其磁學(xué)性能在進行熱處理后復(fù)合鍍層磁學(xué)性能明顯提高。

袁華等［19］對Ni-P-SiC性能做了進一步研究，結(jié)果表明:SiC顆粒的加入可以減少摩擦表面發(fā)生黏著的面積，降低其與摩擦副之間的犁溝效應(yīng)，進而減少鍍層的磨損量。鍍層中微孔的存在使復(fù)合鍍層的性能降低，但其提高了Ni-P-SiC鍍層與基體的結(jié)合力。C J Lin等［20］研究了制備了Ni-P-SiC鍍層并對其的抗空蝕性能進行了研究，結(jié)果表明:在蒸餾水或3.5%(質(zhì)量分數(shù))氯化鈉溶液中，通過適當熱處理后復(fù)合鍍層可獲得最佳的抗空蝕性。

1.3 Ni-P/納米 Al2O3復(fù)合鍍層

Al2O3硬度高、尺寸穩(wěn)定性好，可廣泛應(yīng)用于各種塑料、橡膠、陶瓷、耐火材料等產(chǎn)品的補強增韌，特別是提高陶瓷的致密性、光潔度、冷熱疲勞性、斷裂韌性、抗蠕變性能和高分子材料產(chǎn)品的耐磨性能尤為顯著。在溶劑水里面極易分散，在乙醇、丙醇等溶劑中，不需加分散劑，僅攪拌即可以充分地分散均勻。在環(huán)氧樹脂、塑料中，添加使用，將其復(fù)合到金屬鍍層中可以使鍍層表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

姚素薇等［21］通過化學(xué)復(fù)合鍍工藝制備并研究了Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層的結(jié)構(gòu)與性能。結(jié)果表明:隨著Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層中Al2O3復(fù)合量鍍層的硬度和耐磨性增加。當納米Al2O3復(fù)合量質(zhì)量分數(shù)為10.1%時，Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層的硬度提高28%，磨損失重減少20%以上。王芳等［23］研究并分析Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層的磨損機理。結(jié)果表明:納米Al2O3的加入使鍍層的硬度增加，并降低與摩擦副之間的犁溝效應(yīng)及黏著的面積，進而減少鍍層的磨損量。

1.4 Ni-P/納米金剛石復(fù)合鍍層

Hamed Mazaheri等［24］制備了 Ni-P/納米金剛石復(fù)合鍍層，并對其組織結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性能進行了研究，結(jié)果表明;金剛石納米顆粒使鍍層硬度增加，但鍍層結(jié)構(gòu)并未發(fā)生改變，鍍層中金剛石含量對其耐腐蝕性和硬度的影響很大。金剛石的加入降低了鍍層的孔隙率，進而阻止了鍍層的腐蝕行為。陳文哲等［25］對納米金剛石非晶態(tài)復(fù)合鍍層的晶化轉(zhuǎn)變過程及其硬度和耐磨性等進行研究，并與微米金剛石復(fù)合鍍層進行比較。結(jié)果表明:金剛石的最佳添加量為12 g/L。非晶態(tài)的復(fù)合鍍層在300℃時鍍層開始晶化，隨溫度升高，鍍層的顯微硬度逐漸升高并在400℃達到峰值，而后因彌散相聚集長大粗化導(dǎo)致鍍層硬度下降，復(fù)合鍍層的耐磨性也隨著硬度的變化而變化。楊戰(zhàn)爭等［25］采用堿性Ni-P/納米金剛石鍍液制備復(fù)合鍍層，并研究了鍍液中納米金剛石的體積分數(shù)、攪拌強度對鍍層顯微組織和性能的影響。結(jié)果表明:攪拌強度為200 r/min時，可獲得表面形貌好的鍍層，鍍層中金剛石的質(zhì)量分數(shù)最高可達24%，鍍速可以達到11 μm/h。鍍層與基體的結(jié)合力與鍍液中金剛石的含量關(guān)系不大。

2 納米化學(xué)復(fù)合鍍層的影響因素

由于納米粒子的一些特性，在施鍍過程中我們還需要做一些其他處理，如納米粒子易團聚，我們必須對鍍液做一些處理，使納米顆粒能夠很好的分散。影響納米化學(xué)復(fù)合鍍層的因素有很多，如納米顆粒的分散狀態(tài)，鍍液的pH值及溫度等等［26-29］。

納米顆粒在鍍液中分散有許多方法如機械攪拌、超聲波分散或化學(xué)分散加入表面活性劑等。黃新民等［30］的研究結(jié)果表明，納米顆粒有潤濕性，影響其在鍍液中的分散能力，而適量的表面活性劑可以改善納米顆粒潤濕性。pH值的選擇對鍍液的穩(wěn)定性、鍍層與基體的結(jié)合力等有很大影響。

在試驗中的鍍液本身就是一個亞穩(wěn)體系，加入納米顆粒后，由于納米顆粒較高的活性，其本身就有一定的催化性能，極易誘發(fā)鍍液的分解。所以在配制鍍液時添加劑的選擇也尤為重要，他會影響到鍍液穩(wěn)定性、鍍速、鍍層質(zhì)量等，故需要選擇合適的絡(luò)合劑和適量的穩(wěn)定劑等。

3 結(jié)束語

化學(xué)鍍Ni-P鍍層性能優(yōu)越，工藝操作簡單，可適用于各種復(fù)雜形狀的零件，其應(yīng)用十分廣泛。相較于純粹的Ni-P鍍層，復(fù)合加入納米顆粒可獲得具有較高硬度、耐磨性、自潤滑性、耐熱性、耐蝕性等功能性鍍層，使其可以應(yīng)用于一些特定的領(lǐng)域。但同時化學(xué)復(fù)合鍍在加入納米顆粒后對鍍液穩(wěn)定性的控制，各種添加劑的影響與沉積理論上仍然存在許多問題需要我們?nèi)ヌ接懷芯俊?/p>

［1］汪敏強，易文輝.功能納米復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及展望［J］.功能材料，2000，31(4):337-340.

［2］王 為，李克鋒.Ni-P基納米化學(xué)復(fù)合鍍研究現(xiàn)狀［J］.電鍍與涂飾，2003，22(5):37.

［3］張文峰，朱 荻，薛玉君，等.鎳—碳化硅納米復(fù)合電鑄層的制備［J］.特種鑄造及有色合金，2004，24(5):9-11.

［4］Novakovic J，Vassiliou P.Vacuum thermal treated electroless Ni-P-TiO2composite coatings［J］.Electrochimica Act a，2009，54(9):2499-2503.

［5］Balaraju J N，Kalavati，Rajam K S.Influence of particle size on the microstructure，hardness and corrosion resistance of electroless Ni-P-Al2O3composite coatings［J］.Surface and Coatings Technology:996-1 000.

［6］王 正，任晨星，徐向俊，等.金剛石復(fù)合鍍層的研究［J］.腐蝕與防護，2001，22(7):283-286.

［7］劉 英.化學(xué)復(fù)合鍍鎳—磷—金剛石鍍速的研究［J］.表面技術(shù)，2003，32(3):25-27.

［8］Necula B S，Apachitei I，ratila-Apachitei E，et al.Stability of nano/micro-sized particles in demonized water and electroless nickel solutions［J］.Journal of Colloid and Interface Science，2007，314(2):514-522.

［9］付傳起，王 宙，何 旭.Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層工藝及摩擦學(xué)行為研究［J］.潤滑與密封，2011，36(5):44-47.

［10］周細應(yīng)，李衛(wèi)紅，徐 洲.PTFE對復(fù)合鍍層摩擦特性的影響［J］.潤滑與密封，2008，33(8):31-35.

［11］王立平，高 燕，劉慧文，等.憎水性 Ni-PTFE復(fù)合鍍層的制備及其摩擦磨損性能的研究［J］.電鍍與環(huán)保，2004，24(5):10-12.

［12］呂曉仁，劉 陽，李 曙.納米PTFE粒子復(fù)合Ni-P化學(xué)鍍層的摩擦學(xué)行為［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2009，29(2):116-122.

［13］鄒 剛，謝 華.Ni-P-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍層的耐磨性能研究［J］.潤滑與密封，2007，32(10):87-89.

［14］Ming Der Ger，K H Hou b，L M Wang b，et al.The friction and wear of Ni-P-PTFE composite deposits under water lubrication［J］.Materials Chemistry and Physics，2002，77:755-764.

［15］李 暉，謝 華，鄒 剛.Ni-P-納米SiC化學(xué)復(fù)合鍍層組織與性能研究［J］.表面技術(shù)，2009，38(1):37-39.

［16］蔡蓮淑，程 秀，揭曉華，等.Ni-P-SiC(納米)化學(xué)復(fù)合鍍工藝的研究［J］.表面技術(shù)，2003，32(5):38-41.

［17］Malfati C F，F(xiàn)erreira J，Santos C B.Ni-P-SiC composite coatings:the effects of particles on the elect chemical behavior［J］.Corrosion Sicence，2005，47:567-580.

［18］Crosjean A，Rearazi M，Bercot P.Some morphological characteristic of the incorporation of silicon carbide(SiC)particles into electroless nickel deposits［J］.Suface and Coatings Technology，2000，130:252-256.

［19］袁 華，俞宏英，孫冬柏，等.化學(xué)鍍制備高耐蝕耐磨Ni-P-SiC 復(fù)合鍍層［J］.電鍍與涂飾，2006，25(9):16-19.

［20］C J Lin，K C Chen，J L He.The cavitation erosion behavior of electroless Ni-P-SiC composite coating［J］.Wear，2006，261:1390-1396.

［21］姚素薇，穆高林，張衛(wèi)國.化學(xué)鍍Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)及性能研究［J］.材料保護，2007，40(10):26-28.

［22］吳蒙華，夏法鋒，吳慶利Ni-P/納米Al2O3復(fù)合鍍層顯微硬度和耐磨性研究［C］.2007年中國機械工程學(xué)會年會論文集，2007:380-385.

［23］王 芳，俞宏英，孫冬柏，等.Ni-P-納米 Al2O3復(fù)合鍍層耐磨性能研究［J］.電鍍與涂飾，2006，26(3):1-4.

［24］Hamed Mazaheri，Saeed Reza Allahkaram.Deposition，characterization and electrochemical evaluation of Ni-P-nano-diamond composite coatings［J］.Applied Surface Science，2012，258:4574-4580.

［25］楊戰(zhàn)爭，呂廣庶，蔡剛毅.Ni-P-納米金剛石化學(xué)復(fù)合鍍研究［J］.電鍍與涂飾，2006，25(10):5-7.

［26］陳文哲，謝 華，李 勇，等.納米金剛石化學(xué)復(fù)合鍍新技術(shù)研究［J］.材料導(dǎo)報，2004，18(8A):271-273.

［27］桑付明，成旦紅.鎳/納米二氧化硅納米復(fù)合鍍層耐腐蝕性能的研究［J］.化學(xué)工業(yè)與工程技術(shù)，2004，25(1):7-9.

［28］高加強，劉 磊，沈 彬，等.納米Al2O3粒子增強化學(xué)鍍Ni-P復(fù)合鍍層的組織結(jié)構(gòu)［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報，2005，39(2):265-269.

［29］張乃軍，周蘇閩.Ni-P/納米TiO2復(fù)合鍍層的抗菌性能研究［J］.淮陰工學(xué)院學(xué)報，2006，15(5):75-78.

［30］黃新民，吳玉程，謝躍勤，等.Ni-P-納米TiO2化學(xué)復(fù)合鍍層［J］.中國表面工程，2001，14(3):30-32.