Ni-P基纳米复合镀层研究现状及展望

王 琦，毕晓勤

(河南工业大学材料科学与工程学院，河南郑州 450001)

0 引言

与电镀相比，化学镀具有优良的耐蚀性能和耐磨损性能，厚度均匀，高硬度和较高的结合强度，可对复杂形状工件进行施镀，使用范围也较为广泛，如电子、汽车等行业，然而随着科技的发展，人们对镀层性能的要求也日益提高，Ni-P镀层已不能完全满足要求。

复合镀是用化学镀的方法使金属和固体微粒共沉积而获得复合材料的工艺过程，其镀层由形成复合镀层的主体和分散微粒组成，复合镀可获得具有较高硬度、耐磨性、自润滑性、耐热性、耐蚀性等功能性镀层，另外化学复合镀可在各种基体表面覆盖任意厚度的镀层，其不需要高温度就可获得孔隙率低的合金镀层［1-3］。各种功能性镀层的出现也是材料的使用范围更加广泛，并且由于纳米颗粒的独特性能所获得的镀层也具有特殊的物化性能及力学性能。纳米化学复合镀层在结构上与Ni-P镀层相比也不尽相同，如多相结构，纳米颗粒作为第二相的存在可提高其塑变强度，同时可以细化晶粒［4-8］。

1 国内外研究现状

近年来，由于科学技术的不断进步，使得对纳米材料的研究成为可能，逐渐出现了纳米碳管、纳米颗粒和纳米晶体等新材料。纳米材料由于其体积和单位质量的表面积与固体材料有巨大差别，在达到一定的极限时使颗粒呈现出特殊的表面效应和体积效应，并决定着颗粒的最终物理化学性能。如下面几种复合镀层，不同纳米颗粒所特有的性质也决定了镀层的性能。

1.1 Ni-P/纳米PTFE复合镀层

聚四氟乙烯(PTFE)具有优良的物化性能如自润滑﹑耐腐蚀性能，良好的介电性能、不黏性及化学稳定性等，广泛应用在材料科学领域。由于PTFE粒子属于软相会导致复合镀层整体的显微硬度降低;与其他聚合物相比较，PTFE粒子具有较低的摩擦因数(0～0.05)和极低的剪切强度，随着磨损进行，PTFE显露出来富集于摩擦面作为固体润滑，因此黏着磨损小，磨料磨损程度较轻。其自身的润滑性能使镀层具有良好的耐磨性能。Ni-P/PTFE镀层，可以有效地提高Ni-P镀层的耐磨性能［9-13］。

付传起等［9］制备了Ni-P/PTFE自润滑复合镀层并对其组织结构和磨损机制进行了研究，结果表明:通过镀层的磨损形貌Ni-P镀层磨损有明显的犁沟，而复合镀层的犁沟窄浅且断续甚至消失，复合镀层的摩擦因数和磨损量相比 于Ni-P镀层有明显的降低。其纳米复合镀层可能应用在单位表面接触压力较高的工况。Ming Der Ger等［14］研究了Ni-P/PTFE复合镀层的水润滑系统。结果表明:摩擦系数与磨损性和镀层的浸润性密切相关，通过对其疏水/亲水性的控制性可以提高耐磨损性能，减少磨损。

1.2 Ni-P/纳米SiC复合镀层

由于SiC本身具有较高的硬度、耐热性、耐氧化性、耐腐蚀性，其被作为磨料、耐火材料、电热元件、黑色有色金属冶炼等用的原料。可应用于极端条件下如航空航天工业领域的结构涂层、功能涂层、防护涂层以及吸波材料等，可作特殊用途的结构陶瓷、电热元件、抛光磨料、纳米光材料等。其复合镀层可获得较高的硬度和耐磨耐腐蚀性能等。化学镀Ni-P/SiC镀层的耐磨性远超过硬铬，可以显著提高工件的使用寿命［15-19］。

李辉等［15］制备了Ni-P-纳米SiC化学复合镀层，并其组织、耐磨性及磁学性能进行了研究。结果表明:纳米复合镀层经500℃/1 h热处理达到最佳耐磨值，组织发生晶化，生成Ni3P相，相比 Ni-P镀层其磁学性能在进行热处理后复合镀层磁学性能明显提高。

袁华等［19］对Ni-P-SiC性能做了进一步研究，结果表明:SiC颗粒的加入可以减少摩擦表面发生黏着的面积，降低其与摩擦副之间的犁沟效应，进而减少镀层的磨损量。镀层中微孔的存在使复合镀层的性能降低，但其提高了Ni-P-SiC镀层与基体的结合力。C J Lin等［20］研究了制备了Ni-P-SiC镀层并对其的抗空蚀性能进行了研究，结果表明:在蒸馏水或3.5%(质量分数)氯化钠溶液中，通过适当热处理后复合镀层可获得最佳的抗空蚀性。

1.3 Ni-P/纳米 Al2O3复合镀层

Al2O3硬度高、尺寸稳定性好，可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。在溶剂水里面极易分散，在乙醇、丙醇等溶剂中，不需加分散剂，仅搅拌即可以充分地分散均匀。在环氧树脂、塑料中，添加使用，将其复合到金属镀层中可以使镀层表现出优异的性能。

姚素薇等［21］通过化学复合镀工艺制备并研究了Ni-P/纳米Al2O3复合镀层的结构与性能。结果表明:随着Ni-P/纳米Al2O3复合镀层中Al2O3复合量镀层的硬度和耐磨性增加。当纳米Al2O3复合量质量分数为10.1%时，Ni-P/纳米Al2O3复合镀层的硬度提高28%，磨损失重减少20%以上。王芳等［23］研究并分析Ni-P/纳米Al2O3复合镀层的磨损机理。结果表明:纳米Al2O3的加入使镀层的硬度增加，并降低与摩擦副之间的犁沟效应及黏着的面积，进而减少镀层的磨损量。

1.4 Ni-P/纳米金刚石复合镀层

Hamed Mazaheri等［24］制备了 Ni-P/纳米金刚石复合镀层，并对其组织结构及耐腐蚀性能进行了研究，结果表明;金刚石纳米颗粒使镀层硬度增加，但镀层结构并未发生改变，镀层中金刚石含量对其耐腐蚀性和硬度的影响很大。金刚石的加入降低了镀层的孔隙率，进而阻止了镀层的腐蚀行为。陈文哲等［25］对纳米金刚石非晶态复合镀层的晶化转变过程及其硬度和耐磨性等进行研究，并与微米金刚石复合镀层进行比较。结果表明:金刚石的最佳添加量为12 g/L。非晶态的复合镀层在300℃时镀层开始晶化，随温度升高，镀层的显微硬度逐渐升高并在400℃达到峰值，而后因弥散相聚集长大粗化导致镀层硬度下降，复合镀层的耐磨性也随着硬度的变化而变化。杨战争等［25］采用碱性Ni-P/纳米金刚石镀液制备复合镀层，并研究了镀液中纳米金刚石的体积分数、搅拌强度对镀层显微组织和性能的影响。结果表明:搅拌强度为200 r/min时，可获得表面形貌好的镀层，镀层中金刚石的质量分数最高可达24%，镀速可以达到11 μm/h。镀层与基体的结合力与镀液中金刚石的含量关系不大。

2 纳米化学复合镀层的影响因素

由于纳米粒子的一些特性，在施镀过程中我们还需要做一些其他处理，如纳米粒子易团聚，我们必须对镀液做一些处理，使纳米颗粒能够很好的分散。影响纳米化学复合镀层的因素有很多，如纳米颗粒的分散状态，镀液的pH值及温度等等［26-29］。

纳米颗粒在镀液中分散有许多方法如机械搅拌、超声波分散或化学分散加入表面活性剂等。黄新民等［30］的研究结果表明，纳米颗粒有润湿性，影响其在镀液中的分散能力，而适量的表面活性剂可以改善纳米颗粒润湿性。pH值的选择对镀液的稳定性、镀层与基体的结合力等有很大影响。

在试验中的镀液本身就是一个亚稳体系，加入纳米颗粒后，由于纳米颗粒较高的活性，其本身就有一定的催化性能，极易诱发镀液的分解。所以在配制镀液时添加剂的选择也尤为重要，他会影响到镀液稳定性、镀速、镀层质量等，故需要选择合适的络合剂和适量的稳定剂等。

3 结束语

化学镀Ni-P镀层性能优越，工艺操作简单，可适用于各种复杂形状的零件，其应用十分广泛。相较于纯粹的Ni-P镀层，复合加入纳米颗粒可获得具有较高硬度、耐磨性、自润滑性、耐热性、耐蚀性等功能性镀层，使其可以应用于一些特定的领域。但同时化学复合镀在加入纳米颗粒后对镀液稳定性的控制，各种添加剂的影响与沉积理论上仍然存在许多问题需要我们去探讨研究。

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