动柔性摩擦喷射电沉积制备纳米晶镍试验研究

摘要

纳米晶材料由于其优异的性能得到了广泛的研究和应用，在众多的制备技术中，电沉积法是一种传统、经济、灵活的制备方法，尤其喷射电沉积以其液相传质快、电流密度大的特点，使其在制备纳米晶金属材料方面极具优势。但喷射电沉积制备的沉积层易出现针孔、麻点、结瘤等缺陷，影响纳米晶金属材料的性能。因此为了快速制备高质量的纳米晶金属材料，本文提出了动柔性摩擦喷射电沉积方法，在自主设计的喷射电沉积设备和动柔性摩擦装置的基础上，进一步探究动柔性摩擦的相关机理，以及接触压力、电流密度、阴极扫描速度对动柔性摩擦喷射电沉积制备纳米晶镍沉积层的影响。主要研究内容如下： （1）提出了动柔性摩擦喷射电沉积方法。针对该方法设计了一套喷射电沉积设备和动柔性摩擦装置，并利用压力传感器设计出可在线检测动柔性摩擦接触压力的压力检测装置。同时，在设备的两个运动方向上添加位移传感器以保证设备运行的稳定性；使用TFT电阻式触摸屏实现操作的便捷性，最后基于STM32+μC/OS-II的控制方案完成整套系统的控制设计。 （2）试验研究了动柔性摩擦对喷射电沉积的作用机理。在分析喷射电沉积相关理论的基础上，针对设计的动柔性摩擦装置，使用Fluent流体仿真软件分析在喷嘴附近增加动柔性摩擦对喷射电沉积液相传质和电流密度的影响。除此之外，通过前期对比试验，探究动柔性摩擦在沉积层整平、驱氢除杂、晶粒细化等方面的作用机理。发现动柔性摩擦具有提升喷射电沉积极限电流密度和改善镀层性能的良好作用。 （3）试验研究了动柔性摩擦的接触压力对纳米晶镍镀层性能的影响。利用设计的压力检测装置，在不同接触压力下制备纳米晶镍镀层，由此分析得出接触压力的大小对沉积层的性能具有重要的影响。当接触压力控制得当时，动柔性摩擦喷射电沉积制备的纳米晶镍镀层表面平整、致密，晶粒细化至13.5nm，硬度从475HV增加到527HV，镀层的耐腐蚀性也得到显著提高。 （4）使用动柔性摩擦喷射电沉积制备了纳米晶镍块体。在前面研究的基础上，进一步探索如何快速制备高质量的镍块体，对比研究了阴极扫描速度和电流密度对沉积层性能的影响。试验得出动柔性摩擦可将喷射电沉积的可用电流密度提高到250A/dm2以上，沉积层依旧保持平整、致密。并使用优化参数加工纳米晶镍块体，通过对比有/无动柔性摩擦喷射电沉积制备的厚度约为1mm的镍块体，发现动柔性摩擦具备快速制备高质量纳米晶镍块体的能力，所得纳米晶镍块体表面粗糙度仅0.17μm，硬度高达570HV。

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