木材表面化学镀镍基三元合金的研究

摘要

木材是一种天然的有机高分子材料，虽然其本身具有质轻、可再生等优异特性，但由于木材本身不具有导电性能，因此，在很多应用领域存在局限性。在木材表面赋予一层金属膜是拓展木材应用领域的重要途径之一，其中，使木材表面得以金属化修饰最有效的方法就是化学镀。虽然近几年木材表面化学镀研究进展迅速，但多以铜或二元合金为主，达到了木材与金属复合的目的，赋予材料以新的性能，但铜或二元合金存在耐腐蚀性差等缺点，限制了材料的长久应用。因此，开展木材表面化学镀耐腐蚀的镍基三元合金是提高腐蚀性的重要手段。本论文以非洲白梧桐、桦木为基材，以镀层表面的金属沉积率和电阻率为参考值，研究镍基三元合金化学镀镀液的组成，对镀层特性进行分析、表征和性能测试。研究结果如下:
　　(1)以非洲白梧桐单板为基材，以次亚磷酸钠为还原剂，经硅烷前处理的木材表面化学镀Ni-Fe-P三元合金，获得较优前处理条件如下:陈化5h的1.5％的硅烷溶液处理后，于20 mL氯化钯溶液处理10 min，最后在2g/L次亚磷酸钠溶液中处理10min;适宜的镀液组成及其操作工艺条件如下:硫酸镍45 g/L，硫酸亚铁铵17.5 g/L，次亚磷酸钠27.5 g/L，酒石酸钾钠70 g/L，硫酸铵40 g/L，pH值9.2，施镀时间40 min，施镀温度90℃。电磁屏蔽效能测试表明，镀后单板的电磁屏蔽效能达到45 dB以上，较非洲白梧桐素材有显著提高;VSM测试表明，镀层具有优良的磁学性能;SEM测试得到，镀后的非洲白梧桐单板表面完全被金属镀层所覆盖，镀层均匀、连续、有光泽，并仍具有木材的纹理特征。XPS和EDS测试表明，镀层中含有Ni、Fe和P三种元素，其中Ni为主要成分，含量高达92.51％，Fe和P的含量相对较少，分别为5.57％和1.92％;XRD测试表明，Ni-Fe-P三元合金镀层呈晶态结构;结合强度测试中镀层与木材没有完全分离，表明Ni-Fe-P合金镀层与木材表面结合强度较高;镀后单板的初始接触角为104°，15 s后接触角仅下降了6°，单板表面由镀前的亲水性转变为镀后的疏水性;Ni-Fe-P三元合金镀层的腐蚀电位为-0.301 V，腐蚀电流为密度为7.58×10-6 A/cm2，腐蚀阻抗为3652.9Ω/cm2，耐腐蚀性明显高于Ni-P二元合金。
　　以硼氢化钾碱性溶液对非洲白梧桐单板进行前处理的最佳的前处理工艺如下:硼氢化钾4 g/L，氢氧化钠3g/L，处理时间8 min;此法的适宜镀液和施镀工艺条件如下:硫酸镍45 g/L，硫酸亚铁铵17.5 g/L，次亚磷酸钠25 g/L，酒石酸钾钠70 g/L，硫酸铵25 g/L，pH值9.4，施镀时间60 min，施镀温度90℃;电磁屏蔽效能测试表明，镀后单板的电磁屏蔽效能达到50 dB以上，成功获得木质电磁屏蔽材料;VSM测试表明，镀层具有优良的磁学性能;SEM测试得到，镀后的非洲白梧桐单板表面完全被金属镀层所覆盖，镀层均匀、连续、有光泽，并保留了木材原有的孔隙结构。XPS和EDS测试表明，镀层中含有Ni、Fe和P三种元素，其中Ni为主要成分，含量高达93.60％，Fe和P的含量相对较少，分别为4.71％和1.69％。XRD测试表明，Ni-Fe-P三元合金镀层呈晶态结构;结合强度测试中镀层与木材没有完全分离，说明Ni-Fe-P合金镀层与木材表面结合强度较高;镀后单板的初始接触角为110°，15 s后接触角仅下降了2°，单板表面由镀前的亲水性转变为镀后的疏水性;Ni-Fe-P三元合金镀层的腐蚀电位为-0.3610 V，腐蚀电流为密度为7.89×10-6 A/cm2，腐蚀阻抗为4160.9Ω/cm2，此法获得的镀层具有比较好的耐腐蚀性。
　　(2)以桦木单板为基材，采用非钯活化工艺进行Ni-W-P三元合金化学镀。所得化学镀Ni-W-P三元合金的较优镀液及其工艺如下:硫酸镍22.5 g/L，钨酸钠17.5 g/L，次亚磷酸钠27.5 g/L，柠檬酸钠25 g/L，乳酸5 g/L，氯化铵30 g/L，pH值8.8，施镀温度88℃，施镀时间40 min; XPS和EDS测试表明，镀层含有Ni、W和P三种元素，Ni为主要成分，含量高达89.80％，W和P的含量相对较少，分别为4.48％和5.72％。;XRD测试表明，Ni-W-P三元合金镀层属于微晶态结构;SEM测试得到，镀后的桦木单板表面镀层覆盖均匀，具有金属光泽，同时也保留了木材本身的纹理特征;磁屏蔽效能测试表明，镀后单板的电磁屏蔽效能达到40 dB以上;结合强度测试中镀层与木材没有完全分离，说明Ni-W-P合金镀层与木材表面结合牢固;镀后单板的初始接触角为119°，15 s后接触角仅下降了2°，单板表面由镀前的亲水性转变为镀后的疏水性;Ni-W-P三元合金镀层的腐蚀电位为-0.3400 V，腐蚀电流为密度为2.163×10-6 A/cm2，腐蚀阻抗为20106.5Ω/cm2，耐腐蚀性较Ni-P合金有所提高。
　　(3)以桦木为基材，硅烷前处理后采用钯活化工艺，得出的较优镀液组成和工艺条件如下:硫酸镍27.5 g/L，钼酸铵0.6 g/L，次亚磷酸钠24 g/L，醋酸钠12.5 g/L，柠檬酸三钠27.5 g/L，pH值9.5，施镀时间50 min，施镀温度85℃;磁屏蔽效能测试表明，镀后单板的电磁屏蔽效能达到45 dB以上，与桦木素材相比有明显提高;SEM测试得到，镀后的桦木单板镀层覆盖均匀，具有金属光泽，同时也保留了木材本身的纹理特征。XPS和EDS测试表明，镀层含有Ni、Mo和P三种元素，Ni为主要成分，含量高达92.05％，Mo和P的含量较少，分别为6.86％和1.09％。XRD测试表明，Ni-Mo-P三元合金镀层属于晶态结构;结合强度测试中镀层与木材没有完全分离，得出Ni-Fe-P合金镀层与木材表面结合强度较高;镀后单板的初始接触角为115°，15 s后接触角仅下降了1°，单板表面由镀前的亲水性转变为镀后的疏水性;Ni-Mo-P三元合金镀层的腐蚀电位为-0.3010 V，腐蚀电流为密度为4.522×10-6 A/cm2，腐蚀阻抗为8244.0Ω/cm2，耐腐蚀性显著提高。
　　通过对木材表面化学镀镍基三元合金的研究，获得了具有耐腐蚀性的木质基电磁屏蔽材料，为木材表面金属化修饰提供了新思路，为木材科学与技术的发展起到积极的推动作用。

目录

摘要

1 绪论

1．1 木质基电磁屏蔽材料

1．1．1 木材的特性

1．1．2 电磁屏蔽材料

1．1．3 电磁屏蔽原理

1．2 化学镀

1．2．1 化学镀概述

1．2．2 化学镀Ni反应机理

1．2．3 化学镀镍基合金的研究现状

1．2．4 木材化学镀的研究现状

1．3 研究的目的意义、主要内容及创新点

1．3．1 研究的目的及意义

1．3．2 技术路线

1．3．3 研究的主要内容

1．3．4 创新点

2 实验原料、仪器和实验方法

2．1 实验原料

2．2 实验仪器

2．3 化学镀Ni合金单板的性能研究

2．3．1 表面电阻率

2．3．2 金属沉积率

2．3．3 电磁屏蔽效能

2．3．4 磁性能

2．3．5 物理性能

2．4 化学镀镍基合金单板的表征

2．4．1 镀层成分

2．4．2 镀层形貌

2．4．3 镀层结构

3 木材表面化学镀Ni-Fe-P三元合金

3．1 引言

3．2 硅烷处理的木材表面化学镀Ni-Fe-P三元合金

3．2．1 实验方法与原理

3．2．2 化学镀Ni-Fe-P镀液成分与含量

3．2．3 化学镀Ni-Fe-P施镀条件

3．2．4 化学镀Ni-Fe-P单板结构表征

3．2．5 化学镀Ni-Fe-P单板镀层的性能分析

3．3 非钯活化的木材表面化学镀Ni-Fe-P三元合金

3．3．1 引言

3．3．2 实验方法与原理

3．3．3 木材的前处理条件

3．3．4 化学镀Ni-Fe-P镀液组成与含量

3．3．5 化学镀Ni-Fe-P施镀条件

3．3．6 化学镀Ni-Fe-P单板镀层结构表征

3．3．7 化学镀Ni-Fe-P单板镀层的性能分析

3．4 本章小结

4 木材表面化学镀Ni-W-P三元合金

4．1 引言

4．2 实验方法与原理

4．2．1 实验药品

4．2．2 实验方法

4．2．3 实验原理

4．3 化学镀Ni-W-P镀液成分与含量

4．3．1 硫酸镍浓度

4．3．2 钨酸钠浓度

4．3．3 次亚磷酸钠浓度

4．3．4 柠檬酸钠浓度

4．3．5 乳酸浓度

4．3．6 氯化铵浓度

4．4 化学镀Ni-W-P施镀条件

4．4．1 镀液pH值

4．4．2 施镀时间

4．4．3 施镀温度

4．5 化学镀Ni-W-P单板镀层结构表征

4．5．1 镀层EDS分析

4．5．2 镀层XPS分析

4．5．3 镀层XRD分析

4．5．4 镀层SEM分析

4．6 化学镀Ni-W-P单板镀层的性能分析

4．6．1 结合强度

4．6．2 表面润湿性

4．6．3 耐腐蚀性能

4．6．4 电磁屏蔽性能

4．7 本章小结

5 木材表面化学镀Ni-Mo-P三元合金

5．1 引言

5．2 实验方法与原理

5．2．1 实验药品

5．2．2 实验方法

5．2．3 实验原理

5．3 化学镀Ni-Mo-P镀液成分与含量

5．3．1 硫酸镍浓度

5．3．2 钼酸铵浓度

5．3．3 次亚磷酸钠浓度

5．3．4 乙酸钠浓度

5．3．5 柠檬酸钠浓度

5．4 化学镀Ni-Mo-P施镀条件

5．4．1 镀液pH值

5．4．2 施镀时间

5．4．3 施镀温度

5．5 化学镀Ni-Mo-P单板镀层结构表征

5．5．1 镀层EDS分析

5．5．2 镀层XPS分析

5．5．3 镀层XRD分析

5．5．4 镀层SEM分析

5．6 化学镀Ni-Mo-P单板镀层的性能分析

5．6．1 结合强度

5．6．2 表面润湿性

5．6．3 耐腐蚀性能

5．6．4 电磁屏蔽性能

5．7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历

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