化學(xué)鍍Ni包覆TiC復(fù)合粉體的制備及顯微組織

于鵬超，易丹青, ，胡 彬，劉會(huì)群

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 教育部有色金屬材料科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410083)

金屬包覆陶瓷型粉體是指以陶瓷為核心，以金屬為外殼的復(fù)合粉體。這種復(fù)合粉體由于具有優(yōu)異的光學(xué)、電磁學(xué)、化學(xué)催化以及可以改善金屬和陶瓷之間的潤(rùn)濕性等優(yōu)異的性質(zhì)，近年來在電磁學(xué)材料、催化材料、顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料等方面得到了有效的發(fā)展[1?4]。金屬包覆陶瓷型粉體的制備方法有機(jī)械混合法、溶膠凝膠法、非均相沉淀法、化學(xué)鍍法[5?7]等，其中化學(xué)鍍法由于可以在任何基體表面都能制備出均勻、孔隙率低、厚度可控的金屬鍍層，且工藝易于控制、設(shè)備簡(jiǎn)單，因而成為最常用的包覆方法?；瘜W(xué)鍍法常用次磷酸鈉或硼氫化鈉作為還原劑，由于此類還原劑獲得的鍍層中含有磷、硼等元素，常給鍍層的性質(zhì)帶來不利的影響[8]。近年來發(fā)展了用甲醛、聯(lián)氨為還原劑的化學(xué)鍍法[9?11]，可獲得純金屬的化學(xué)鍍層。

TiC具有硬度高、熱穩(wěn)定性好、抗氧化、耐腐蝕、密度小等優(yōu)異的物理化學(xué)性能，是一種很有發(fā)展前景的金屬基顆粒增強(qiáng)材料[12]。但由于TiC與金屬的潤(rùn)濕性不佳，結(jié)合力較弱，大大影響了復(fù)合材料的物理力學(xué)性能，制約著TiC顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的發(fā)展[13]。利用化學(xué)鍍的方法可有效改善顆粒增強(qiáng)相與基體的潤(rùn)濕性。目前，化學(xué)鍍方法已經(jīng)成功在Al2O3[1]、WC[14]、Cr3C2[15]、B4C[16]、ZrO2[17]、納米碳管[18]等粉體上獲得了金屬包覆層，但未見金屬包覆TiC粉體的相關(guān)研究和報(bào)道。目前對(duì)粉體化學(xué)鍍的研究也主要集中在工藝參數(shù)的選擇和形貌的研究上，對(duì)化學(xué)鍍過程中形核長(zhǎng)大機(jī)制以及工藝參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)影響的研究還很少。本文作者擬以聯(lián)氨為還原劑，用化學(xué)鍍的方法在 TiC粉體表面包覆純Ni層制備金屬包覆陶瓷型復(fù)合粉體，并重點(diǎn)研究化學(xué)鍍過程中 Ni層的形核長(zhǎng)大機(jī)制以及化學(xué)鍍過程中的溫度、化學(xué)鍍后的熱處理對(duì)鍍層形貌、晶體結(jié)構(gòu)的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的 TiC粉末顆粒尺寸在 2～10 μm 范圍內(nèi)，化學(xué)鍍液的成分以及施鍍的工藝參數(shù)如表1所列?；瘜W(xué)鍍前需要對(duì)TiC粉末進(jìn)行預(yù)處理。首先將TiC粉末分別在甲醇、稀NaOH溶液和稀HCl溶液中清洗10 min，清洗過程中施加超聲波，以有效清除表面污染。用去離子水清洗后，加入到粗化液中對(duì)粉末進(jìn)行粗化20 min。粗化液的成分為HF 50 mL/L、HNO380 mL/L、NH4F 2 g/L。將粗化后的粉末用去離子水洗凈，先后在含SnCl210 g/L、HCl 40 mL/L的敏化液和含PdCl20.5 g/L、HCl 10 mL/L的活化液中進(jìn)行敏化活化處理各20 min。敏化活化后的粉末用去離子水清洗3次后加入到配置好的鍍液中，攪拌5 min后，置于恒溫水浴鍋中加熱施鍍，采用機(jī)械攪拌以均勻分散粉體。反應(yīng)完畢后，靜置5 min左右抽濾，并用去離子水清洗，在恒溫干燥箱中50 ℃干燥4 h，得到Ni包覆的TiC粉體。

采用如下實(shí)驗(yàn)方法提取不同反應(yīng)時(shí)間的復(fù)合粉體：將配置好的鍍液放入恒溫水浴中加熱到70 ℃，反應(yīng)開始后開始計(jì)時(shí)，反應(yīng)至所需時(shí)間后取出盛有鍍液的燒杯，迅速放入冰水中使反應(yīng)立刻停止，取出部分粉末后將鍍液放入恒溫水浴中重新反應(yīng)，再次計(jì)時(shí)，到所需時(shí)間后再次取出部分顆粒，如此反復(fù)。設(shè)定反應(yīng)時(shí)間分別為5、10、20、30、40和60 min。

采用 RADWAG型千分之一天平稱量各粉末質(zhì)量，采用D/Max 2500型X射線衍射儀對(duì)Ni包覆TiC復(fù)合粉體的相組成進(jìn)行分析，設(shè)定衍射角范圍為20°～80°，掃描速度為 4 (°)/min，靶材為 Cu Kα。采用SIRION200型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察 TiC粉末和Ni包覆層的表面形貌，并對(duì)鑲嵌入酚醛樹脂并磨平拋光后的復(fù)合粉體的截面進(jìn)行觀察。采用能譜儀(EDS)對(duì)復(fù)合粉體表面進(jìn)行微區(qū)成分分析。采用200 F3 Maia型差熱掃描量熱儀(DSC)對(duì)復(fù)合粉體熱處理過程中吸熱放熱變化進(jìn)行分析，升溫速度為10 K/min。

表1 化學(xué)鍍鍍液成分以及施鍍工藝參數(shù)Table 1 Composition of electroless plating bath and operating parameters of electroless plating

2 結(jié)果和討論

2.1 工藝參數(shù)的優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)以聯(lián)氨(N2H4)為還原劑，在堿性的鍍液中還原Ni2+，反應(yīng)原理如下：

化學(xué)鍍Ni時(shí)，Ni具有自催化作用，存在自加速過程，沉積速率不易測(cè)定。本研究通過單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量粉末的增加表示平均反應(yīng)速率(v)，用反應(yīng)結(jié)束后單位質(zhì)量粉末的增加表示反應(yīng)的平均覆鍍量(M)。實(shí)驗(yàn)配置鍍液200 mL，考察TiC裝載量、施鍍溫度、鍍液 pH值以及還原劑聯(lián)氨(N2H4)濃度對(duì)反應(yīng)速率和覆鍍量的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1(a)所示為反應(yīng)速度和覆鍍量與TiC裝載量的關(guān)系曲線。由圖1(a)可知，反應(yīng)速度隨TiC裝載量的增加變化不大，各組反應(yīng)速度v在10～15 mg/min之間；平均覆鍍量隨TiC裝載量的增加而減少，且變化趨勢(shì)在5～10 g/L范圍內(nèi)較劇烈，在10～25 g/L范圍內(nèi)較平緩。這是由于化學(xué)鍍是在具有催化活性的表面進(jìn)行的有選擇性的反應(yīng)，當(dāng)TiC含量增加時(shí)，雖然催化總面積增加，但在每個(gè)催化表面進(jìn)行的反應(yīng)速度是不變的，因而平均反應(yīng)速度基本保持穩(wěn)定；但由于鍍液的施鍍能力是一定的，還原生成的 Ni平均包覆到每個(gè) TiC顆粒表面，因而平均覆鍍量隨TiC裝載量的增加而減少。本研究希望獲得0.5 μm的包覆Ni層，通過計(jì)算wNi∶wTiC=0.77∶1，所以選擇 TiC 裝載量為 10 g/L。

圖1(b)所示為TiC裝載量為10 g/L時(shí)反應(yīng)速度和覆鍍量與施鍍溫度的關(guān)系曲線。由圖1(b)可看出，溫度低于65 ℃時(shí)，TiC粉末質(zhì)量無增加，反應(yīng)無法進(jìn)行；溫度高于65 ℃時(shí)，隨反應(yīng)溫度的升高平均反應(yīng)速度增加明顯，平均覆鍍量基本不變。但溫度過高，由于反應(yīng)速率過快，反應(yīng)的自催化現(xiàn)象明顯，反應(yīng)可控性差，且鍍層不致密。綜合考慮，選擇反應(yīng)溫度為70 ℃為宜。

圖1(c)所示為TiC裝載量為10g/L時(shí)反應(yīng)速度和覆鍍量與鍍液pH的關(guān)系曲線。由反應(yīng)(1)可知，反應(yīng)需要一定濃度的OH?才能進(jìn)行。當(dāng)pH值低于8時(shí)，反應(yīng)無法進(jìn)行；當(dāng)pH高于8時(shí)，隨pH的增加，反應(yīng)速度和覆鍍量均迅速增加；但當(dāng)pH高于11時(shí)，發(fā)現(xiàn)鍍液中有白色絮狀Ni(OH)2沉淀生成，鍍液發(fā)生自發(fā)分解。因而，綜合考慮選擇pH=10為宜。

圖1 反應(yīng)速度和覆鍍量與各主要工藝參數(shù)的關(guān)系曲線Fig.1 Plating rate and mass gain as function of processing parameters∶ (a)TiC content; (b)Temperature; (c)pH; (d)Hydrazine concentration

圖1(d)所示為TiC裝載量為10 g/L時(shí)反應(yīng)速度和覆鍍量與聯(lián)氨(N2H4)濃度的關(guān)系曲線。當(dāng)聯(lián)氨濃度低于50 mL/L時(shí)，反應(yīng)無法進(jìn)行；當(dāng)聯(lián)氨濃度高于50 mL/L時(shí)，反應(yīng)速度和覆鍍量隨聯(lián)氨濃度增加而增加；但當(dāng)濃度高于120 mL/L時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后，鍍液中有粉紅色片狀絡(luò)合物出現(xiàn)，難以分離清除。因而，選擇聯(lián)氨濃度為100 mL/L為宜。

綜上所述，優(yōu)化的工藝參數(shù)為TiC裝載量10 g/L，施鍍溫度70 ℃，pH=10，聯(lián)氨濃度為100 mL/L。在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，平均反應(yīng)速度為v=0.013 g/min，平均覆鍍量M=0.8 g，反應(yīng)時(shí)間約為60 min。

2.2 化學(xué)鍍Ni包覆TiC復(fù)合粉體的相組成與顯微結(jié)構(gòu)

圖2所示為原始TiC和采用優(yōu)化工藝參數(shù)制得的Ni包覆TiC粉體的XRD譜。由圖2可以看出，化學(xué)鍍后，粉末由TiC和Ni兩種物相組成，Ni層各衍射峰較寬闊，不似純Ni尖銳的衍射峰，也與一般化學(xué)鍍Ni-P、Ni-B的完全非晶漫散射峰[19?20]不同。

圖3(a)所示為優(yōu)化工藝參數(shù)下制得的Ni包覆TiC粉體的SEM像，圖3(b)所示為其放大圖像。從圖3(a)和(b)可以看出，TiC顆粒表面包覆著一層胞狀的 Ni層，包覆完全均勻；圖3(c)所示為圖3(b)中A點(diǎn)的EDS能譜結(jié)果，可以看到復(fù)合粉體表面只有Ni、Ti、C元素，無其他雜質(zhì)元素、包覆層純凈。圖3(d)所示為復(fù)合粉體的截面SEM相，圖3(e)所示為其放大圖像。由圖3(d)和(e)可以更加直觀地看出，Ni層包覆完全，無未包覆或包覆不完全的TiC顆粒；包覆Ni層厚度均勻，平均厚度約為0.4～0.6 μm，與所希望獲得的厚度相當(dāng)。圖3(f)所示為圖3(e)中直線B的Ni、Ti元素線掃描結(jié)果，Ni元素分布于顆粒的表面，Ti元素則構(gòu)成復(fù)合粉體的核心，包覆情況良好。

2.3 化學(xué)鍍Ni層的形成過程

圖4(a)和(b)所示為不同倍數(shù)的原始TiC顆粒的形貌，TiC顆粒尺寸在2～10 μm之間，顆粒表面光滑并附著有很多TiC小碎片。圖4(c)和(d)所示為洗凈并粗化之后的TiC顆粒不同倍數(shù)下的形貌，與未處理的TiC顆粒比較，顆粒表面小碎片明顯減少且表面明顯粗化，呈現(xiàn)臺(tái)階狀形貌。對(duì)于固體材料，表面的催化活性隨表面單位面積內(nèi)的缺陷數(shù)目的增加而增大[14]。本研究通過粗化預(yù)處理獲得的這種臺(tái)階狀的表面形貌大大增加了TiC顆粒的表面積，增加表面單位面積缺陷數(shù)目，有利于活化過程中 Pd原子的吸附，提高表面的催化活性。這種表面形貌也為后序化學(xué)鍍過程N(yùn)i原子的吸附、形核、長(zhǎng)大、粗化提供了有利條件。

為了揭示實(shí)驗(yàn)過程中Ni層的形核、長(zhǎng)大過程和機(jī)制，實(shí)驗(yàn)中考察在優(yōu)化工藝參數(shù)下不同反應(yīng)時(shí)間顆粒的形貌，其結(jié)果如圖4(e)～(j)所示。施鍍5 min后，TiC顆粒表面還未完全被Ni包覆，在部分區(qū)域可以觀察到有初期的胞狀Ni核出現(xiàn)。Ni核在表面臺(tái)階、凹坑處比較密集。圖4(f)所示為圖4(e)臺(tái)階處區(qū)域A的放大圖像，可以發(fā)現(xiàn)此處胞狀Ni核較密集，部分已經(jīng)互相接觸，也有部分Ni核孤立存在，Ni核尺寸在40～60 nm之間，平均尺寸約為52 nm。施鍍10 min后，顆粒已經(jīng)被初期的單層胞狀Ni顆粒所覆蓋，胞狀Ni顆粒長(zhǎng)大彼此接壤后形成均勻致密的Ni層，包覆完全均勻。由于自催化面積達(dá)到最大，化學(xué)鍍的反應(yīng)速度達(dá)到最高值，表現(xiàn)為鍍液中有大量氣泡出現(xiàn)。以初期Ni核直徑估算此時(shí)鍍層厚度約為50 nm。同時(shí)，在單層Ni層表面有少量未被完全吸附的自由態(tài) Ni顆粒。包覆于TiC顆粒表面的每個(gè)胞狀的 Ni顆粒都成為催化的核心，隨反應(yīng)的進(jìn)行，不斷催化形成新的胞狀Ni顆粒，鍍層不斷增厚，同時(shí)，Ni顆粒也發(fā)生明顯的粗化。圖4(h)、(i)和(j)中鍍層明顯逐漸增厚，表面自由態(tài)的 Ni顆粒也逐漸增多，至60 min后，反應(yīng)停止，此時(shí)鍍層形貌如圖4(k)所示，TiC顆粒已被一定厚度的Ni層所包覆，胞狀 Ni顆粒發(fā)生明顯的粗化，顆粒尺寸在224～327 nm之間，平均尺寸約為265 nm?？梢姡瘜W(xué)鍍 Ni過程中，Ni層的長(zhǎng)大符合典型的 Ostwald ripening(OR)機(jī) 制[21]，即大顆粒長(zhǎng)大、小顆粒不斷被大顆粒吞并。

圖2 化學(xué)鍍前后粉末的XRD譜Fig.2 XRD patterns of powders before and after electroless plating∶ (a)TiC; (b)TiC coated by nickel

圖3 Ni包覆TiC粉末SEM像、A區(qū)域的EDS譜以及線B的線掃描曲線Fig.3 SEM images of Ni-coated TiC powder, EDS spectrum of area A in Fig.(b)and line scanning of line B in Fig.(e)∶ (a), (b)Surface morphology; (c)EDS of area A; (d), (e)Cross section morphology; (f)Line scanning of line B in Fig.(e)

2.4 化學(xué)鍍溫度對(duì)鍍層形貌的影響

圖5所示為70、80、90、95 ℃下化學(xué)鍍至反應(yīng)結(jié)束后復(fù)合粉體的形貌。其中圖5(c)為圖5(b)中A區(qū)域的放大圖像。從圖5中可以看出，溫度的變化強(qiáng)烈地影響著鍍層的形貌，當(dāng)溫度從70 ℃逐漸升高到95 ℃時(shí)，鍍層從致密變得疏松多孔，Ni顆粒由胞狀逐漸變?yōu)楹＞d狀。這與化學(xué)鍍過程中氣體的釋放有關(guān)。根據(jù)反應(yīng)原理式(1)，在 Ni2+被還原的同時(shí)伴隨有 N2的釋放。當(dāng)溫度較高時(shí)，反應(yīng)速度明顯加快，短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的N2，氣流連續(xù)不斷地釋放出來，在鍍層表面部分區(qū)域會(huì)出現(xiàn)N2將鍍層與鍍液暫時(shí)分離的現(xiàn)象，從而抑制了此區(qū)域Ni的吸附和生長(zhǎng)。在未被N2分離的催化表面上，Ni則迅速沿氣體釋放方向生長(zhǎng)，最終形成了多孔的海綿狀形貌。相反，當(dāng)溫度較低時(shí)，反應(yīng)速度較慢，N2釋放速度較慢，氣體有足夠的時(shí)間以不連續(xù)的小氣泡形式釋放，鍍層在沿表面的方向上均勻生長(zhǎng)，結(jié)果鍍層致密，Ni顆粒呈胞狀。ZHANG等[22]在研究鍍液pH對(duì)鍍層形貌的影響時(shí)也有類似的發(fā)現(xiàn)，與本研究的溫度對(duì)鍍層形貌的影響一樣，都可歸因于施鍍環(huán)境對(duì)氣體釋放速率的影響。由試驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，較低溫度下獲得的致密的鍍層與TiC顆粒結(jié)合較強(qiáng)，不易于脫落，而較高溫度下獲得的鍍層由于疏松多孔，與TiC顆粒結(jié)合較弱，易于脫落。

2.5 熱處理對(duì)鍍層形貌及相組成的影響

化學(xué)鍍Ni層較難與TiC粉末分離，為測(cè)得Ni層在升溫過程中的吸熱放熱反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)中首先用差示掃描量熱法(DSC)分別測(cè)量原始 TiC顆粒、復(fù)合粉體的熱分析結(jié)果，如圖6(a)和(b)所示。由于Ni鍍層在較低范圍內(nèi)不會(huì)與TiC顆粒發(fā)生任何反應(yīng)，所以將復(fù)合粉體的曲線減去TiC顆粒的曲線就得到Ni鍍層在此溫度區(qū)間升溫過程中的熱量變化(見圖6(c))。從圖6(c)中可以明顯看到，Ni層在200～500 ℃范圍內(nèi)有放熱反應(yīng)，在423 ℃有一個(gè)放熱峰，至500 ℃放熱結(jié)束。據(jù)此，將鍍后的復(fù)合粉體在Ar氣保護(hù)作用下經(jīng)500 ℃熱處理1 h。熱處理前后復(fù)合粉體的XRD譜分別如圖7(a)和(b)所示。對(duì)比兩者可以發(fā)現(xiàn)：熱處理前的復(fù)合粉體中Ni的衍射峰較寬闊，不似純Ni的尖銳衍射峰，也與一般化學(xué)鍍Ni-P的完全非晶漫散射峰不相同[19?20]。而經(jīng)熱處理后，Ni各衍射峰變得尖銳，且衍射強(qiáng)度明顯變大。綜合DSC和XRD結(jié)果可以推斷，加熱過程中發(fā)生的反應(yīng)為鍍層中非晶態(tài)Ni向晶態(tài)Ni的轉(zhuǎn)變?；瘜W(xué)鍍后，未經(jīng)熱處理的Ni鍍層為晶態(tài)和非晶的混合狀態(tài)。加熱過程中，非晶態(tài)的Ni逐漸開始結(jié)晶并放出熱量，423 ℃時(shí)，結(jié)晶速率達(dá)到最大值，至500 ℃，結(jié)晶結(jié)束。這與GAO等[23]測(cè)試的化學(xué)鍍過程中獲得的非晶態(tài)Ni-P合金的晶化溫度相差不大，而與WEN等[17]獲得完全的晶態(tài)純Ni的結(jié)果不一致。圖8所示為熱處理后復(fù)合粉體的形貌。與熱處理之前粉末的形貌(見圖4(k))相比可以發(fā)現(xiàn)，自由態(tài)的Ni明顯減少，胞狀Ni顆粒尺寸在221～263 nm之間，平均值為240 nm，沒有發(fā)現(xiàn)Ni顆粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象。

圖6 不同粉末的DSC曲線Fig.6 DSC curves of different powders∶ (a)TiC; (b)Ni-coated TiC; (c)Ni coating

圖7 經(jīng)500 ℃、1 h熱處理前后復(fù)合粉末的XRD譜Fig.7 XRD patterns of composite powders before and after heat treatment at 500 ℃ for 1 h∶ (a)Before heat treatment; (b)After heat treatment

圖8 經(jīng)500 ℃、1 h熱處理后Ni包覆 TiC粉末形貌Fig.8 Morphology of Ni-coated TiC powder after heat treatment at 500 ℃ for 1 h

3 結(jié)論

1)采用化學(xué)鍍工藝以聯(lián)氨(N2H4)為還原劑制備純Ni包覆的TiC復(fù)合粉體，優(yōu)化的工藝參數(shù)如下：TiC裝載量10 g/L、施鍍溫度70 ℃、pH=10、聯(lián)氨濃度為100 mL/L。以單位時(shí)間內(nèi)單位質(zhì)量粉末的增加表示平均反應(yīng)速率，以反應(yīng)結(jié)束后單位質(zhì)量粉末的增加表示反應(yīng)的平均覆鍍量，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，平均反應(yīng)速度為v=0.013 g/min，平均覆鍍量M=0.8 g，反應(yīng)時(shí)間約為60 min。

2)預(yù)處理過程粗化TiC顆粒表面呈現(xiàn)臺(tái)階狀，表面的臺(tái)階、凹陷處成為化學(xué)鍍過程中的 Ni優(yōu)先形核區(qū)域。施鍍5 min時(shí)，初胞狀Ni核尺寸在40～60 nm之間；施鍍10 min后，TiC顆粒被完全包覆，反應(yīng)速度達(dá)到最大。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，鍍層逐漸增厚，胞狀Ni顆粒不斷長(zhǎng)大。至反應(yīng)結(jié)束后，Ni核尺寸在224～327 nm之間。

3)化學(xué)鍍中溫度的變化強(qiáng)烈地影響著鍍層的形貌。當(dāng)化學(xué)鍍的溫度為70～95 ℃，隨溫度的升高，鍍層從致密的胞狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槭杷啥嗫椎暮＞d狀結(jié)構(gòu)。較低溫度下獲得的鍍層質(zhì)量?jī)?yōu)于高溫度獲得的鍍層質(zhì)量。

4)化學(xué)鍍后，復(fù)合粉體的Ni鍍層為晶態(tài)和非晶的混合體，經(jīng)500 ℃保溫1 h后，Ni層完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)。復(fù)合粉體表面自由態(tài)Ni顆粒減少，但Ni顆粒未發(fā)生明顯長(zhǎng)大、粗化。

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