Ni-P納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀與展望

張韋袆,曹 迪,王宇鑫

(江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程國家級教學(xué)示范中心,鎮(zhèn)江 212003)

電沉積是指金屬或合金從其化合物水溶液、非水溶液或熔鹽中電化學(xué)沉積的過程,具有操作簡便、成本低等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)部門[1]．Ni-P鍍層作為生產(chǎn)生活中應(yīng)用最為廣泛的鍍層之一,憑借其優(yōu)良的特性,如高硬度、優(yōu)異的耐磨耐蝕性能以及順磁性等[2-4],成為廣大研究者所青睞的對象．為了進(jìn)一步優(yōu)化Ni-P鍍層的力學(xué)性能及耐腐蝕性能,研究人員將納米技術(shù)與電鍍技術(shù)相結(jié)合,制備出Ni-P納米復(fù)合鍍層．與傳統(tǒng)的Ni-P鍍層相比,Ni-P納米復(fù)合鍍層的顯微結(jié)構(gòu)和微觀形貌明顯不同,其力學(xué)性能和耐腐蝕性能得到了顯著改善[5],具有更廣泛的應(yīng)用前景．文中主要針對目前Ni-P鍍層的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述,分析了納米復(fù)合鍍研究中所存在的問題,并對Ni-P納米復(fù)合鍍層的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望．

1 Ni-P鍍層概述

1.1 Ni-P鍍層的制備

Ni-P鍍層可通過電沉積的方法獲得．在電鍍過程中,將純鎳板作為可溶性陽極,以提供鎳離子;將待鍍工件作為陰極,其中陰陽極表面積比為1 ∶3．目前,電鍍Ni-P合金鍍液主要有氨基磺酸鹽型、氟硼酸鹽型、次磷酸鹽型和亞磷酸型4種類型[6],應(yīng)用較多的為次磷酸鹽型．典型的Ni-P鍍液成分及工藝條件[1]如表1．

表1 典型Ni-P鍍液成分及工藝條件

鍍液中,硫酸鎳為主鹽,提供電鍍所需的鎳離子;氯化鎳與氯化鈉作為陽極活化劑,防止陽極鈍化．此外,氯化鈉還可改善電解液的導(dǎo)電性．硼酸的加入主要是作為緩沖劑,調(diào)節(jié)及緩沖pH值;次磷酸鈉與磷酸則是鍍層中磷離子的主要來源．電鍍過程中的陰極反應(yīng)方程式如下:

Ni2++2e-→Ni

H2PO2-+e-→P+2OH-

1.2 Ni-P鍍層的結(jié)構(gòu)

研究表明[7],Ni-P鍍層的結(jié)構(gòu)隨著磷含量的變化而變化．不同磷含量的Ni-P鍍層X射線衍射圖譜如圖1[8],當(dāng)磷含量較低時,鍍層結(jié)構(gòu)在2θ=45°出現(xiàn)強(qiáng)度較高的衍射峰,鍍層為晶態(tài)結(jié)構(gòu)．隨著磷含量的增加,衍射峰強(qiáng)度下降,沿衍射角附近兩側(cè)衰減,接近非晶態(tài)結(jié)構(gòu),但衍射峰仍較尖銳．隨著磷含量的進(jìn)一步增加,衍射峰強(qiáng)度繼續(xù)下降．當(dāng)鍍層磷的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)量超過15%時,Ni-P鍍層呈完全非晶態(tài)結(jié)構(gòu)．

圖1 不同磷含量的Ni-P鍍層XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of Ni-P coatings with different phosphorus contents

文獻(xiàn)[9]在鈦合金表面制備了不同磷含量的Ni-P鍍層,研究了化學(xué)鍍Ni-P鍍層中磷含量對鍍層組織結(jié)構(gòu)及耐磨性能的影響．結(jié)果表明:隨著Ni-P鍍層中磷含量的增加,鍍層的瘤狀結(jié)構(gòu)和晶界逐漸減少,晶粒尺度逐漸增大．隨著鍍層中磷含量的增加,鍍層結(jié)構(gòu)逐漸由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)．鍍層的硬度和耐磨性能則隨著磷含量的增加而降低．

對Ni-P鍍層進(jìn)行適當(dāng)熱處理,可以減少鍍層中的缺陷,提高鍍層的結(jié)合強(qiáng)度和顯微硬度．

研究表明[10]:Ni-P鍍層在300 ℃保溫60 min,呈非晶態(tài)層狀組織．當(dāng)保溫300 min時,鍍層開始晶化,鍍層的層狀界線仍然存在．而在400 ℃下保溫20 min,鍍層即開始晶化,保溫60 min后鍍層完全晶化,且層狀界線消失,晶粒變細(xì)．保溫時間達(dá)到120 min時,已細(xì)化的晶粒又聚集長大．鍍層在600 ℃保溫60 min后,晶粒全部聚集,晶界完全消失．故高溫處理使鍍層的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷如下變化:非晶態(tài)→晶化→晶粒聚集長大．

文獻(xiàn)[11]分別在300、400、500和600 ℃條件下研究了保溫時間對Ni-P鍍層的組織結(jié)構(gòu)、成分以及硬度的影響．結(jié)果表明,保溫時間對Ni-P鍍層的組織結(jié)構(gòu)和成分具有顯著影響．隨著保溫時間的延長,Ni-P鍍層的結(jié)構(gòu)由非晶態(tài)層狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài),層狀界線開始消失,晶粒逐漸細(xì)化．進(jìn)一步提高保溫時間后,已細(xì)化的晶粒又開始聚集長大．此外,Ni-P鍍層的硬度隨保溫時間的延長呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,故在高溫條件下對Ni-P鍍層采取短時間的熱處理,對于提高鍍層的硬度效果更為顯著．

2 Ni-P納米復(fù)合鍍層

2.1 Ni-P納米復(fù)合鍍層的形成過程

將納米顆粒添加到Ni-P鍍液中,使其與鎳離子、磷離子共沉積到材料基體表面,便可生成Ni-P納米復(fù)合鍍層．在復(fù)合鍍層的形成過程中,納米粒子不參與氧化還原反應(yīng),與氧化還原反應(yīng)生成的鎳離子、磷離子共沉積到基體表面[12]，具體的形成過程可分為以下3個階段,如圖2．

(1) 分散階段．將納米粒子加入鍍液后,在外部攪拌和自身布朗運(yùn)動的作用下,納米粒子逐漸由團(tuán)聚態(tài)分散開來．

(2) 吸附階段．此階段存在兩種假說[1]．第一種假說認(rèn)為納米顆粒能否被陰極工件表面所吸附,主要受范德華力的影響，即納米顆粒是在范德華力的影響下,逐漸運(yùn)動到陰極表面,并被剛形成的鍍層表面所吸附．第二種是電泳論．納米顆粒在金屬鍍液中有選擇性地吸附鍍液中的鎳離子、磷離子,形成帶正電的粒子．通電后,帶正電的納米粒子在電場作用下,向帶負(fù)電的陰極工件表面遷移,從而被陰極表面所吸附．

(3) 包覆階段．隨著鍍液中氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行,納米粒子不斷被陰極工件表面吸附,并與鍍液中的鎳離子、磷離子持續(xù)共沉積,逐漸嵌入到鍍層中．當(dāng)納米粒子的直徑小于等于鍍層厚度時,納米顆粒被鍍層完全包覆,從而形成Ni-P納米復(fù)合鍍層．

圖2 Ni-P納米復(fù)合鍍層形成過程的示意圖Fig.2 Sketch map of the formation process for Ni-P nanocomposite coating

2.2 Ni-P納米復(fù)合鍍層的特性

受納米增強(qiáng)相的影響,Ni-P納米復(fù)合鍍層主要具有以下特性:

(1) 多相結(jié)構(gòu)．由于納米粒子的彌散強(qiáng)化作用,使得Ni-P晶粒被細(xì)化為納米晶,使其具有多相結(jié)構(gòu)．

(2) 優(yōu)異的力學(xué)性能．納米粒子在與鎳離子、磷離子共沉積的過程中,對復(fù)合鍍層產(chǎn)生了細(xì)晶強(qiáng)化的效果,使鍍層結(jié)構(gòu)更致密,晶粒更細(xì)小,有效地改善了復(fù)合鍍層的顯微組織,提高了Ni-P復(fù)合鍍層的力學(xué)性能．另外,相比微米級的第二相粒子,納米粒子可以更好地提高復(fù)合鍍層的硬度與耐磨性能．文獻(xiàn)[13]向純鎳鍍液中分別加入微米級與納米級的SiC顆粒,研究了微納米顆粒對鍍層硬度及耐磨性的影響．結(jié)果表明:納米復(fù)合鍍層表面平整光滑,其顯微硬度、耐磨性也較純鎳鍍層、微米復(fù)合鍍層有了顯著性地提高．

(3) 納米顆粒具有特殊的光學(xué)、電磁、力學(xué)和催化性能,能夠根據(jù)實際使用需求,添加具有相應(yīng)特性的納米顆粒,獲得具有較強(qiáng)針對性的Ni-P納米復(fù)合鍍層．

(4) 納米顆粒的比表面積大,表面能高,易于團(tuán)聚,故應(yīng)將納米顆粒的添加量控制在一定范圍內(nèi)．

2.3 Ni-P納米復(fù)合鍍層的強(qiáng)化機(jī)制

Ni-P納米復(fù)合鍍層的強(qiáng)化機(jī)制主要包括兩個方面:納米粒子的彌散強(qiáng)化作用和其對復(fù)合鍍層所產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用．其中,納米粒子的彌散強(qiáng)化作用可用Orowan機(jī)制描述為[14-15]:

(1)

式中:G和b分別為基體的剪切模量和位錯的柏氏矢量,λ是分散的納米顆粒間的距離．Orowan機(jī)制表明:屈服應(yīng)力σ由位錯線通過兩個相鄰顆粒所需的應(yīng)力決定．包括顆粒間距,顆粒尺寸和顆粒體積分?jǐn)?shù)在內(nèi)的參數(shù)主導(dǎo)著彌散強(qiáng)化的效果．從式(1)可以看出:σ與λ成反比,顆粒間的距離λ越小,其對應(yīng)的屈服應(yīng)力σ越大,即彌散強(qiáng)化效果越顯著．當(dāng)基體承受載荷時,高度分散且間隔緊密的納米粒子會阻礙位錯的滑移,外部表現(xiàn)為鍍層硬度的提高．

納米粒子對復(fù)合鍍層的細(xì)晶強(qiáng)化效果可用Hall-Petch方程描述為[16-17]:

HV=3σy

(2)

σy=σ0+kd-1/2

(3)

式中：σy是屈服應(yīng)力,σ0是摩擦應(yīng)力,k是對于不同材料來說都是恒定值的增強(qiáng)系數(shù),d是平均晶粒直徑．由式(2,3)可以看出:鍍層的硬度與屈服應(yīng)力σy成正比,σy與晶粒的大小成反比．晶粒尺寸越小,所需的屈服應(yīng)力越大,鍍層的硬度就越高．在納米復(fù)合鍍的過程中,嵌入Ni-P合金的納米顆粒增加了形核質(zhì)點(diǎn),同時又起到了抑制晶粒生長的作用,從而細(xì)化晶粒,提高了鍍層的硬度．

研究表明,添加適量納米顆粒所得到的Ni-P納米復(fù)合鍍層,其力學(xué)性能會顯著提高,但過量納米顆粒的加入則會導(dǎo)致鍍層力學(xué)性能的惡化．文獻(xiàn)[18]采用新型溶膠增強(qiáng)復(fù)合電鍍技術(shù)制備了Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層,研究了TiO2溶膠的添加濃度對復(fù)合鍍層力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明:與傳統(tǒng)復(fù)合鍍層相比,溶膠增強(qiáng)納米復(fù)合鍍層顯示出優(yōu)異的力學(xué)性能．當(dāng)溶膠濃度為12.5 mL/L時,鍍層的力學(xué)性能最佳,其顯微硬度可達(dá)到～710HV．但添加過量溶膠后,TiO2納米粒子開始團(tuán)聚,降低了TiO2納米粒子的彌散強(qiáng)化作用,外部表現(xiàn)為鍍層力學(xué)性能的惡化．

Ni-P納米復(fù)合鍍層的力學(xué)性能受彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化綜合作用影響,納米粒子添加量的不同會造成其強(qiáng)化機(jī)制的變化．Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層中TiO2納米顆粒的增強(qiáng)機(jī)制如圖3．當(dāng)在Ni-P鍍液中加入適量TiO2納米顆粒時,TiO2納米粒子的彌散強(qiáng)化起主導(dǎo)作用．當(dāng)在Ni-P鍍液中加入過量TiO2納米顆粒時,形核質(zhì)點(diǎn)增加,細(xì)晶強(qiáng)化起主導(dǎo)作用,但過量納米顆粒的引入會造成團(tuán)聚,并導(dǎo)致鍍層中孔洞增加,從而導(dǎo)致鍍層力學(xué)性能下降．

圖3 Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層中TiO2納米顆粒增強(qiáng)機(jī)理的示意圖Fig.3 Sketch map of the enhancement mechanism of TiO2 nanoparticles in Ni-P-TiO2 nanocomposite coating

2.4 Ni-P納米復(fù)合鍍層的研究現(xiàn)狀

將不同性質(zhì)的納米顆粒與鎳離子、磷離子共沉積到工件表面,可制備出具有不同性能的Ni-P納米復(fù)合鍍層．

2.4.1 高硬度耐磨鍍層

高硬度耐磨Ni-P鍍層的制備多采用化學(xué)鍍的方式[19-22],通過改變鍍覆參數(shù)、納米顆粒的添加量和后續(xù)熱處理等方法,得到最佳性能的納米復(fù)合鍍層．研究結(jié)果表明,將硬度較高的Al2O3、ZrO2、金剛石、碳納米管(CNT)及SiC等納米顆粒加入Ni-P鍍液中,可顯著提高復(fù)合鍍層的硬度及耐磨性能．

文獻(xiàn)[23]采用化學(xué)鍍的方法在20號鋼表面制備了Ni-P-Al2O3納米復(fù)合鍍層,研究了Al2O3納米顆粒含量對復(fù)合鍍層顯微硬度及摩擦磨損性能的影響．結(jié)果表明,Al2O3納米顆粒在鍍層中分布均勻,顯著提高了鍍層的硬度和耐磨性能．當(dāng)Al2O3納米顆粒含量為6 g/L時,復(fù)合鍍層的硬度和耐磨性能達(dá)到最佳狀態(tài)．文獻(xiàn)[24]采用化學(xué)鍍的方法在Ti6A14V合金微弧氧化膜表面制備了Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層,研究了微弧氧化膜結(jié)構(gòu)對Ni-P-ZrO2化學(xué)復(fù)合鍍層結(jié)合性能與摩擦性能的影響．結(jié)果表明:隨著微弧氧化時間的增加,復(fù)合鍍層的結(jié)合性能顯著提高．微弧氧化與化學(xué)復(fù)合鍍兩者結(jié)合后,合金硬度大幅度提高,耐磨性能也有明顯改善．文獻(xiàn)[25]在鋼基材上制備了Ni-P-金鋼石納米復(fù)合鍍層,研究了金鋼石納米顆粒的添加量與復(fù)合鍍層硬度和耐磨性之間的關(guān)系．當(dāng)金鋼石納米顆粒添加量為0.6 g/L時,復(fù)合鍍層的硬度和鍍層中的粒子摻入量均達(dá)到最高．400℃下保溫1 h后,復(fù)合鍍層的耐磨性能最佳．文獻(xiàn)[26]研究了Ni-P-CNTs納米復(fù)合鍍層,確定了最佳鍍覆工藝,并分析了CNTs濃度和熱處理工藝對復(fù)合鍍層硬度的影響．結(jié)果表明:復(fù)合鍍層熱處理后硬度大大提高,隨著鍍液中CNTs濃度的增加,鍍層的顯微硬度也逐漸增加．文獻(xiàn)[27]采用化學(xué)鍍的方法在AZ91D鎂合金表面制備了Ni-P合金鍍層與Ni-P-SiC復(fù)合鍍層,并比較了兩者在結(jié)構(gòu)、硬度和耐磨性等方面的差異．研究表明,相比Ni-P化學(xué)鍍層, Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的晶粒更細(xì)小,硬度達(dá)到643HV,與Ni-P合金鍍層相比,硬度提高了近47%,耐磨性能顯著改善．

2.4.2 耐腐蝕鍍層

將耐蝕性較高的納米顆粒,如碳納米管、SiC、WC和Al2O3等添加到Ni-P鍍液中,可以制備出具有優(yōu)異耐腐蝕性能的Ni-P納米復(fù)合鍍層．文獻(xiàn)[28]通過向Ni-P酸性鍍液中添加不同尺寸的SiC納米顆粒(20、50，200 nm)得到了Ni-P-SiC納米復(fù)合鍍層,采用動電位極化和電化學(xué)阻抗譜(EIS)分析了鍍層的耐腐蝕性能．結(jié)果表明:鍍液中SiC的顆粒尺寸會影響鍍層的組成和形態(tài)．50 nmSiC納米顆粒所形成的Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的耐腐蝕性最好．文獻(xiàn)[29]采用化學(xué)鍍的方法在Q235鋼表面制備了Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層,并研究了其組成、形貌、硬度和耐蝕性．通過對比實驗得出最佳鍍覆參數(shù)為:85℃,pH值為4.6,Al2O3濃度為30 g/L．鍍層性能測試結(jié)果表明,Ni-P-Al2O3復(fù)合鍍層的硬度和耐蝕性明顯優(yōu)于Ni-P合金鍍層．文獻(xiàn)[30]在AZ91D鎂合金基體上制備了Ni-P-SiC復(fù)合鍍層,研究了沉積時間對Ni-P-SiC復(fù)合鍍層性能的影響．結(jié)果表明,沉積時間為2 h時,鍍層顯微硬度最高,耐蝕性能最好．與AZ91D鎂合金基體相比,Ni-P-SiC納米復(fù)合鍍層耐蝕性能顯著提高,可以有效地改善鎂合金基體的耐蝕性能．

2.4.3 抗高溫氧化鍍層

將抗高溫氧化性能優(yōu)異的納米粒子,如ZrO2、A12O3、TiO2等添加到Ni-P鍍液中,可制備出具有良好抗高溫氧化性能的Ni-P納米復(fù)合鍍層．

文獻(xiàn)[31]采用直流電沉積技術(shù)制備了Ni-W-P-Al2O3納米復(fù)合鍍層,研究了Al2O3納米粒子的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層抗高溫氧化性的影響,Al2O3納米顆粒質(zhì)量濃度為15 g/L時,鍍層的抗高溫氧化性最好．文獻(xiàn)[32]采用化學(xué)鍍的方法在碳纖維表面制備了Ni-P-SiC復(fù)合鍍層,采用同步熱分析儀研究了Ni-P鍍層和Ni-P-SiC鍍層的氧化性能,研究表明,對比出現(xiàn)最大放熱峰的溫度,Ni-P-SiC鍍層比Ni-P鍍層的出現(xiàn)溫度高130 ℃,Ni-P-SiC鍍層的抗氧化性明顯提高．文獻(xiàn)[33]采用化學(xué)鍍的方法在低碳鋼表面制備了Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層,研究了復(fù)合鍍層的抗高溫氧化性能．結(jié)果表明,在923 K氧化實驗中,Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層和Ni-P鍍層的增重曲線均符合公式:m/A=ktn．但與Ni-P鍍層相比,Ni-P-ZrO2復(fù)合鍍層的抗高溫氧化性能顯著提高．

2.4.4 自潤滑減摩鍍層

將具有減摩潤滑功能的石墨、MoS2、WS2和PTFE等納米顆粒加入鍍液中,可以制備出的Ni-P自潤滑納米復(fù)合鍍層．這種鍍層摩擦系數(shù)較低,有利于減少兩摩擦金屬表面的直接接觸,防止黏著或磨粒磨損．這種具有低摩擦系數(shù)的Ni-P納米復(fù)合鍍層被廣泛應(yīng)用于滑動零部件的表面鍍層．

文獻(xiàn)[34]采用電鍍的方法在碳鋼表面制備了Ni-P和Ni-P-PTFE兩種復(fù)合鍍層．通過對比碳鋼表面與兩種鍍層的耐磨性發(fā)現(xiàn):兩種類型的鍍層相較純碳鋼而言,均顯示出良好的耐磨性能．但Ni-P-PTFE鍍層的耐磨性比Ni-P鍍層差．這說明,在Ni-P鍍層中添加PTFE納米顆粒導(dǎo)致了潤滑效果,使得Ni-P-PTFE鍍層的摩擦系數(shù)降低．文獻(xiàn)[35]在高速鋼表面制備了Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層,并研究了復(fù)合鍍層的制備工藝．研究顯示,復(fù)合鍍層中Ni-P構(gòu)成的骨架包裹著大量的PTFE微粒．Ni-P-PTFE鍍層平均摩擦系數(shù)較低且穩(wěn)定,鍍層具有較好的自潤滑效果．文獻(xiàn)[36]采用化學(xué)鍍的方法制備了Ni-P/n-MoS2復(fù)合鍍層,并研究了MoS2納米顆粒對鍍層摩擦性能的影響．經(jīng)磨損試驗后,磨痕表面的MoS2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高達(dá)7.8%,表明在摩擦過程中,復(fù)合鍍層中的MoS2納米顆粒被緩慢釋放至鍍層表面,鍍層表現(xiàn)出優(yōu)異的自潤滑特性．

2.4.5 具有催化功能的鍍層

TiO2納米顆粒具有光催化活性高、熱穩(wěn)定性好及持續(xù)時間長等優(yōu)點(diǎn),將其添加到Ni-P鍍液中可制備出具有高催化活性的Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層．

文獻(xiàn)[37]采用化學(xué)鍍的方法在不銹鋼表面制備了Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層．在可見光條件下,利用甲基橙研究了Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層的光催化性能．實驗結(jié)果表明,在可見光條件下對Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層照射4 h后,其對甲基橙的降解率達(dá)到67%以上．文獻(xiàn)[38]采用電刷鍍的方法制備了Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層,研究了鍍層的催化性能．結(jié)果表明:當(dāng)鍍液中TiO2納米顆粒的懸浮量為5.0 g/L時,制備出的Ni-P-TiO2納米復(fù)合鍍層催化活性最佳;當(dāng)刷鍍溫度為40 ℃,刷鍍的時間為100 min時,鍍層的析氫催化活性最高;在酸性電解質(zhì)溶液中Ni-P-TiO2鍍層的催化活性高于中性介質(zhì)和堿性介質(zhì)．

2.5 現(xiàn)有Ni-P納米復(fù)合鍍層研究中所存在的問題

現(xiàn)階段,獲得Ni-P納米復(fù)合鍍層的方法還僅僅局限于向Ni-P鍍液中加入納米粒子．盡管多數(shù)情況下納米復(fù)合鍍層的性能較普通復(fù)合鍍層或純鍍層更為優(yōu)異,但由于納米顆粒比表面積大,表面能高,在鍍液中極易團(tuán)聚,從而對鍍層的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生較大影響．目前,防止納米顆粒團(tuán)聚的方法主要包括:(1) 添加表面活性劑,改善納米粒子的表面能;(2) 利用機(jī)械攪拌或者超聲波分散等方法降低其在鍍液中的團(tuán)聚．但這兩種方法的效果并不顯著,納米粒子在Ni-P鍍液中的分散性和作用機(jī)理還需進(jìn)一步探索．另外,相較于數(shù)量眾多的復(fù)合鍍工藝參數(shù)研究,對于復(fù)合電沉積機(jī)理的研究尚不深入,相關(guān)機(jī)理并不明確．

3 未來的發(fā)展與展望

Ni-P納米復(fù)合鍍層未來將會向著功能化、實用化、自動化以及制備工藝環(huán)保化等方向發(fā)展．通過進(jìn)一步調(diào)整Ni-P鍍液的成分及工藝參數(shù),加入不同性質(zhì)的納米顆粒,研究者們將會制備出綜合性能更優(yōu)、針對性更強(qiáng)的Ni-P多層鍍層和梯度功能鍍層．

3.1 多層鍍層

多層鍍層是由不同的金屬鍍層或具有不同組成的合金鍍層交替疊加起來的復(fù)合鍍層,其基本結(jié)構(gòu)如圖4．相較化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD),電化學(xué)沉積法(ECD)被認(rèn)為是一種更方便、簡單且廉價的多層鍍層制備方法．未來,隨著多層復(fù)合鍍工藝的成熟,Ni-P多層復(fù)合鍍層的厚度將更加靈活,其層數(shù)也不再局限于Ni-P/Ni-P-PTFE[39]、Ni-P/Ni-Zn-P[40]以及Ni-P/Ni-P[41]等雙層鍍層,將會出現(xiàn)三層,四層乃至更多層．此外,通過向最外層鍍層中添加性質(zhì)各異的納米顆粒,可以研制出綜合性能更優(yōu)的多層納米復(fù)合鍍層,以滿足嚴(yán)苛服役環(huán)境的要求．

圖4 多層復(fù)合鍍層基本結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic structure of multi-layer coating

3.2 梯度功能鍍層

梯度功能鍍層分為結(jié)構(gòu)梯度復(fù)合鍍層和成分梯度復(fù)合鍍層兩種．結(jié)構(gòu)梯度鍍層是指固體微粒沿著鍍層生長方向逐漸遞增,呈梯度分布．而結(jié)構(gòu)梯度鍍層是指晶粒直徑沿鍍層生長方向呈遞減的梯度分布[42]．復(fù)合電沉積法是制備梯度功能鍍層的重要方法之一,具有控制簡單、易于操作、成本低等優(yōu)點(diǎn)．未來,通過改變Ni-P鍍液的成分配比和工藝參數(shù),Ni-P梯度功能鍍層的硬度、耐磨性能和耐蝕性能等將會得到進(jìn)一步改善．而納米粒子的加入,使得Ni-P梯度納米復(fù)合鍍層的綜合性能更為優(yōu)異．相信在不久的將來,Ni-P梯度納米復(fù)合鍍層會在各種工業(yè)場合得到更廣泛地應(yīng)用．

4 結(jié)語

目前Ni-P納米復(fù)合鍍層技術(shù)在工藝參數(shù)方面的研究已趨于成熟,但納米復(fù)合鍍層的共沉積機(jī)理、納米顆粒的分散技術(shù)和強(qiáng)化作用機(jī)制等問題尚待進(jìn)一步研究．未來,Ni-P納米復(fù)合鍍層將朝著多層復(fù)合鍍層和梯度功能鍍層等方向發(fā)展．通過向Ni-P鍍液中加入不同性質(zhì)的納米顆粒,在鍍層中實現(xiàn)納米粒子的高度彌散分布,可以制備出綜合性能更為優(yōu)異的Ni-P納米復(fù)合鍍層．未來研究中,如何針對特殊功能需求,研發(fā)出具有特殊功能性的環(huán)保型Ni-P納米復(fù)合鍍層,將其在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模推廣應(yīng)用是相關(guān)研究者需要關(guān)注和探討的共同問題．