化学镀液中微细颗粒的分散行为

摘要

添加润滑颗粒（如MoS2）或硬质颗粒（如金刚石）的化学复合镀层具有优异的摩擦磨损性能，工业应用前景广阔。目前制备复合镀层过程中普遍使用表面活性剂改善微细颗粒在化学镀液中润湿性及分散特性，然而使用表面活性剂也存在负面作用，影响复合镀层性能进一步提升。针对这一问题，本课题提出用颗粒表面包覆改性的方法解决颗粒润湿性及分散问题，主要研究工作及成果：
　　1、采用非均匀形核法对金刚石和MoS2颗粒进行表面包覆改性；利用扫描电镜（SEM）、热重/差热同步热分析仪（TG/DSC）、x射线衍射仪（XRD）等手段对改性颗粒进行表征；测试了颗粒改性前后在化学镀液中zeta电位及悬浮稳定性。结果表明：金刚石和MoS2颗粒表面均成功包覆了Al(OH)3层，包覆颗粒表面形貌明显变化；包覆层及350℃煅烧产物均为非晶态结构，产物为亚稳态氧化铝；改性金刚石和改性MoS2颗粒等电位点均远离了化学镀液pH值（酸性镀液pH约5.0），在该pH值范围内改性颗粒zeta电位大于未改性颗粒的，提高了改性颗粒在化学镀液中的悬浮液稳定性。
　　2、基于Washburn方程采用薄板毛细渗透法测量了金刚石和MoS2颗粒改性前后对各种探针液体的接触角，并利用YGGF方程计算颗粒改性前后的表面自由能及其分量；提出了一个判断颗粒改性前后亲水/疏水性变化的判据。结果表明：改性MoS2颗粒对水的接触角由70.8°减小为55.2°，润湿性提高；改性金刚石接触角由44°增大到48.5°，润湿性略下降；未改性MoS2表面能及其分量与有类似表面及结构的Talc表面能接近；而改性MoS2和改性金刚石表面能则与氧化铝表面能一致；酸性分量与碱性分量之比作为一个新的判据均适用于两种颗粒改性前后亲水性变化的表征。
　　3、利用DLVO理论（和XDLVO理论）建立了化学镀液中颗粒间相互作用模型；预测了金刚石和MoS2两种颗粒改性前后在化学镀液中的分散稳定性；计算了颗粒改性前后相互作用力变化；以颗粒沉降实验及粒度分布演变验证了模型。结果表明：化学镀液中颗粒间相互作用位能曲线特征可以很好地预测化学镀液分散体系的稳定性。化学镀液及低稀释比例镀液中，颗粒作用位能曲线不存在势垒，颗粒在任何间距均为引力作用，因此易团聚而快速沉降；随化学镀液稀释比例增大，位能曲线出现较大正势垒，此时颗粒能保持单分散状态，沉降速率慢而稳定分散效果明显，其中未改性金刚石稳定悬浮至少稀释100倍，未改性MoS2至少200倍。改性颗粒在化学镀液及稀释镀液中都没有大的正势垒，不能稳定悬浮；但在化学镀液中，改性颗粒间总作用引力明显小于未改性颗粒的，更易于实现颗粒的动态稳定分散。
　　4、利用湍流理论和团聚体强度理论建立了化学镀槽中流体与颗粒间作用模型；分别采用团聚体静态结合强度和动态结合强度与不同湍流尺度区域流体应力进行比较，判断团聚体被流体破碎分散的可能性；并通过测量流场中颗粒粒度分布进行模型验证。结果表明：团聚体动态结合强度模型可以很好地预测流场中颗粒团聚体的分散状态，与实际粒度分布特征相一致；化学镀槽中流场中团聚体稳定性与原始颗粒粒径，团聚体直径及搅拌强度都有关；相同条件下，改性颗粒团聚体比未改性颗粒团聚体更易于破碎分散。
　　5、未使用表面活性剂制备了含改性颗粒Ni-P-MoS2/Al2O3化学复合镀层，对镀层组织形貌特征及摩擦磨损性能进行了评价，并与Ni-P-MoS2化学复合镀层进行了对比。结果表明：含改性MoS2颗粒的复合镀层的显微硬度、摩擦系数及磨损量均与其表面形貌特征相关，而表面形貌特征取决于制备时的搅拌强度和颗粒包覆率，其中搅拌速率为700rpm，颗粒包覆率为7％时制备的镀层表面组织致密，400℃热处理后硬度最高可达958Hv，且摩擦系数和磨损量都较小；颗粒改性前后在镀层中沉积部位不同，改性颗粒主要分布在镀层表面胞状体内部和表面，而未改性颗粒主要在胞状体根部，也影响复合镀层形貌及性能；含改性MoS2复合镀层比含未改性颗粒镀层具有相对低的摩擦系数和磨损量，进一步提升了性能。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 化学复合镀概述

1.3 颗粒在液相中分散研究现状

1.4 本文拟解决主要问题及研究内容

第二章 微细颗粒包覆改性及其分散特性

2.1 引言

2.2 实验材料与方法

2.3 颗粒表面包覆层表征

2.4 包覆改性颗粒zeta电位

2.5 包覆改性颗粒悬浮稳定性

2.6 本章小结

第三章 微细颗粒粉体的表面能

3.1 引言

3.2 实验材料与方法

3.3 MoS2颗粒包覆改性前后表面能测定

3.4 金刚石颗粒包覆改性前后的表面能

3.5 表面润湿性变化表征参数

3.6 本章小结

第四章 化学镀液中微细颗粒间相互作用

4.1 引言

4.2 理论模型

4.3 金刚石改性前后颗粒间相互作用能

4.4 基于XDLVO模型MoS2改性前后相互作用能

4.5 化学镀液中颗粒间相互作用模型验证

4.6 化学镀液中颗粒间相互作用力

4.7 本章小结

第五章 化学镀槽中流体与颗粒的相互作用

5.1 引言

5.2 理论模型与方法

5.3 搅拌速率对流场参数的影响

5.4 基于静态强度的团聚体与流体作用

5.5 基于动态强度的团聚体与流体作用

5.6 模型实验验证

5.7 本章小结

第六章 含改性MoS2的Ni-P复合镀层制备与性能评价

6.1 引言

6.2 实验材料与方法

6.3 Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层颗粒形态

6.4 Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层显微硬度

6.5 Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层摩擦磨损性能

6.6 Ni-P-MoS2/Al2O3复合镀层磨损机制探讨

6.7 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 创新性成果

7.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录I 非均匀形核法过饱和浓度理论推导

附录II 化学镀液中离子强度估算