CN100345996C - 纳米晶－微米晶层状复合材料及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种纳米晶—微米晶层状复合材料及其制备方法，其特征在于：纳米晶—微米晶层状复合材料是由层状纳米晶金属和层状微米晶金属相间分布组成；所述的纳米晶—微米晶层状复合材料采用双槽交替电沉积方法制备。本发明解决了现有的纯纳米金属材料塑性低、缺乏应变强化能力、难以塑性加工成型等缺陷，它在保持纳米金属材料高强度性能的基础上，大幅度提高了材料的塑性。

Description

纳米晶—微米晶层状复合材料及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高强度和高塑性的纳米晶—微米晶层状复合材料及其制备方法。
背景技术：
纳米金属材料具有很高的强度、硬度，可以制备高强度的重要零件。但其塑性很低(拉伸延伸率一般小于5％)，无明显的加工硬化，容易引起变形集中，难以塑性加工成型，服役时偶然过载可能导致早期断裂。这严重影响了纳米金属材料的加工和应用。因此提高纳米金属材料的塑性，对纳米金属材料的加工和安全可靠应用具有重要的意义。而普通微米晶金属材料虽然塑性很高，具有明显的应变强化能力，可以塑性成型，但强度很低。服役时如遇到偶然过载，则立即产生应变强化，局部强度提高，塑性变形停止，从而保证零件安全工作。
发明内容：
为了解决现有的纯纳米金属材料塑性低、缺乏应变强化能力、难以塑性加工成型等缺陷，本发明提出了一种纳米晶—微米晶层状复合材料，它在保持纳米金属材料高强度性能的基础上，大幅度提高了材料的塑性。
本发明的另一目的在于提供一种用于制造该纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法。
本发明的技术方案如下：
(1)纳米晶—微米晶层状复合材料：由层状纳米晶金属和层状微米晶金属相间分布组成。
(2)纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法：采用双槽交替电沉积方法制备。
本发明根据材料复合强化和韧化的原理，采用特殊的制备方法，在高强度的纳米晶金属中加入微米晶金属，使两者呈层状相间分布，形成纳米晶—微米晶层状复合材料，从而利用纳米金属的高强度特性保持复合材料的高强度，利用微米晶层的高塑性特性提高复合材料的塑性，使复合材料具有很高的强度、硬度和较高的塑性及一定的应变强化能力，大大扩大了材料的加工、应用范围。如电沉积纳米镍的强度约为1100MPa，但其拉伸延伸率为2％-3％。而包含有厚度为20％的微米晶层的纳米晶—微米晶层状镍复合材料的强度可以保持在1000MPa左右，拉伸延伸率为7％-8％以上。
具体实施方式：
本发明的纳米晶—微米晶层状复合材料是由层状纳米晶金属和层状微米晶金属相间分布组成。层状纳米晶金属和层状微米晶金属是同种金属，如：纳米镍—微米镍，纳米钴—微米钴，纳米铜—微米铜；也可以是不同种金属，如：纳米镍—微米铜，纳米镍—微米钴。层状纳米晶金属和层状微米晶金属的厚度之比可以根据强度和塑性的要求在10∶1到1∶1之间变化。复合层数在3层以上，第一次沉积和最后一次沉积在纳米镀液中进行，所以复合材料最外层是纳米晶金属层。
上述的纳米晶—微米晶层状复合材料采用双槽交替电沉积方法制备，其制备方法如下所述，
(1)分别配制纳米金属镀液和微米金属镀液，并置于两个不同的电解槽内。
(2)将准备好的基体放入纳米金属镀液电解槽内，以基体为阴极，用与所要沉积的金属相同金属板为阳极。加上直流电源，调整沉积工艺参数，沉积一定时间后，将基体转移到另一个电解槽内，沉积一定时间后再放入前一电解槽内继续沉积，如此循环交替沉积直至要求的厚度；通过控制基体在纳米金属镀液和微米金属镀液中的沉积时间，来调整纳米晶金属层和微米晶金属层的厚度；所述的基体在一个电解槽内沉积取出后，先用蒸馏水冲洗后，再立即放入另一个电解槽内沉积。
(3)沉积后取出试样放入基体溶解液中将基体溶解，即获得所需的纳米晶—微米晶层状复合材料；所述的基体可采用紫铜，相应的基体溶解液为铬酸溶液。
下面以纳米晶镍—微米晶镍层状复合材料为例，具体说明纳米晶—微米晶复合材料的具体制备过程如下：
(1)分别配置微米镍镀液和纳米镍镀液，微米镍镀液的配方为：NiSO4·6H2O300g/L，NiCl2·6H2O 45g/L，H3BO3 40g/L，C12H25NaO4S 0.05g/L。纳米镍镀液的成分是在微米镍镀液的基础上添加5g/L的糖精。
(2)微米镍的沉积工艺参数：PH值5.0；电流密度5A/dm2；温度50℃。纳米镍的沉积工艺参数：PH值3.0；电流密度10A/dm2；温度60℃。
(3)紫铜基体的准备：将紫铜薄板裁成所需的尺寸，去油，去除氧化皮，用10％盐酸溶液活化。
(4)采用直流电源，以电解镍板为阳极，紫铜为阴极。首先在纳米晶镍镀液中沉积一定时间，取出在蒸馏水中冲洗，立即放入微米镍镀液中沉积微米镍，沉积一定时间后取出清洗，然后再放入纳米镍镀液中沉积，如此循环交替沉积。
(5)沉积后取出试样清洗吹干，然后放入铬酸溶液(50gCrO3+3mlH2SO4+200mlH2O)浸泡，将紫铜基体溶解，即获得所需的纳米晶—微米晶层状复合材料。

Claims (8)

1.一种纳米晶—微米晶层状复合材料，其特征在于：它是由层状纳米晶金属和层状微米晶金属相间分布组成。
2.根据权利要求1所述的纳米晶—微米晶层状复合材料，其特征在于：层状纳米晶金属和层状微米晶金属是同一种。
3.根据权利要求1或2所述的纳米晶—微米晶层状复合材料，其特征在于：层状纳米晶金属和层状微米晶金属的厚度之比在10∶1到1∶1之间变化。
4.根据权利要求3所述的纳米晶—微米晶层状复合材料，其特征在于：纳米晶—微米晶层状复合材料的层数在3层以上，最外层是纳米晶金属。
5、根据权利要求1所述的纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法，其特征在于，所述的纳米镍—微米镍层状金属复合材料是是采用双槽交替电沉积方法制备，其制备方法如下所述：
(1)分别配制纳米金属镍镀液和微米金属镍镀液，并置于两个不同的电解槽内；所述的微米镍镀液的配方为：NiSO4·6H2O 300g/L，NiCl2·6H2O 45g/L，H3BO340g/L，C12H25NaO4S 0.05g/L；纳米镍镀液的成分是在微米镍镀液的基础上添加5g/L的糖精；
(2)将准备好的基体放入纳米金属镍镀液电解槽内，以基体为阴极，用与所要沉积的金属相同的金属板为阳极，通入直流电源，沉积一定时间后，将基体转移到另一个电解槽内，沉积一定时间后再放入前一电解槽内继续沉积，如此循环交替沉积；
(3)沉积后取出试样放入基体溶解液中将基体溶解，即获得所需的纳米晶—微米晶层状复合材料。
6.根据权利要求5所述的纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法，其特征在于：所述的基体为紫铜，相应的基体溶解液为铬酸溶液。
7.根据权利要求5或6所述的纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法，其特征在于：基体在一个电解槽内沉积取出后，先用蒸馏水冲洗后，再立即放入另一个电解槽内沉积。
8.根据权利要求5或6所述的纳米晶—微米晶层状复合材料的制备方法，其特征在于：通过控制基体在纳米金属镀液和微米金属镀液中的沉积时间，来调整层状纳米晶金属和层状微米晶金属的厚度。
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