CN103436921B - 一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法 - Google Patents

一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，属于金属材料技术领域。首先在惰气环境中，将有机化合物与无水三氯化铝混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐、钛盐，混合均匀后制成离子液体电解液；最后以预处理的基体作为阴极，金属铝片、钛片或石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为0.2～5cm，在电流密度为40～100A/m2、温度为20～100℃、上述步骤制得的离子液体电解液下进行电沉积，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。本方法解决现有技术中有机溶剂电镀毒性大、合金镀层夹杂物多、镀层粗糙不致密和熔盐电镀温度高、能耗大、成本高、合金镀层易粉化等问题。

Description

一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法
技术领域
本发明涉及一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，属于金属材料技术领域。
背景技术
铝合金镀层因具有优良的耐腐蚀、装饰性、加工性等优异性能而发展迅速，在电子、航空工业和汽车等领域广泛应用。铝锰合金镀层出色的耐蚀性和装饰性引起广泛注意，特别是金属玻璃结构的发现，更加引起人们对铝锰合金镀层的兴趣。近年来，人们研究发现，在铝锰合金中引入钛形成铝锰钛合金，不仅可以提其高耐蚀性和硬度，而且有助于形成玻璃结构。因此，铝锰钛合金镀层的制备引起了人们的极大关注。制备铝锰钛合金镀层主要采用热浸镀和电镀两种方法，热浸镀法需在660-750℃的高温下进行，存在能耗大、成本高，镀层与基体材料结合力较差、合金成分不均匀等缺点；电镀法由于操作及设备简单，可通过调节电沉积工艺参数来控制沉积层组成、厚度等优点，成为制备铝锰钛合金薄膜的有效方法。但铝是一种非常活泼的金属（标准电极电位为-1.66V），难以在水体系中沉积出来。采用非水的有机溶剂和高温熔盐电沉积虽然可以得到铝锰钛合金，但有机溶剂挥发性强、电化学窗口相对较窄，难以得到锰含量高的合金膜，而且夹杂物较多，镀层粗糙不致密。高温熔盐对设备腐蚀严重、沉积温度较高，能耗较大，加之高温下金属从氯化物中沉积的化学反应是可逆的，导致沉积层容易产生枝晶或粉化，难以得到合金膜。因此，迫切需要寻找一种性能优异的溶剂作为电解质，离子液体的出现无疑为此提供了新的可能。
离子液体是室温离子液体的简称，是一种由阴、阳离子组成，在室温或室温附近呈液态的有机盐。它具有电化学窗口宽、导电性好、液态范围宽、无蒸汽压、稳定性好等优异性能，是一种绿色溶剂。在电沉积方面，离子液体融合了高温熔盐和水溶液的优点：具有较宽的电化学窗口和良好的导电性，在室温下即可得到在高温熔盐中才能电沉积出的金属和合金，但没有高温熔盐那样的强腐蚀性；同时，在离子液体中还可电沉积得到大多数能在水溶液中得到的金属，且无副反应，因而得到的金属质量更好，电流效率更高，特别是对铝、钛、硅和锗等很难在水溶液中电沉积得到的金属更是如此。离子液体的上述特性及其良好的导电性使之成为电沉积研究的崭新液体，在电沉积金属方面得到越来越多的应用。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法。本方法解决现有技术中有机溶剂电镀毒性大、合金镀层夹杂物多、镀层粗糙不致密和熔盐电镀温度高、能耗大、成本高、合金镀层易粉化等问题，本发明通过以下技术方案实现。
一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物与无水三氯化铝按摩尔比1：1.5～3混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐、钛盐，混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐的浓度为0.05～1mol/L、钛盐的浓度为0.01～0.5mol/L；
（2）以基体作为阴极，金属铝片、钛片或石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为0.2～5cm，在电流密度为40～100A/m2、温度为20～100℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积1～6h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
所述有机化合物为氯化1-乙基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基吡啶、氯化1-乙基吡啶、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵或苯甲基乙基氯化铵。上述离子液体皆为市购分析纯。
所述锰盐为氯化锰。
所述钛盐为四氯化钛。
所述基体为碳钢、不锈钢、镁合金、铜或铝。
上述步骤（2）中的基体首先要进行预处理，方法如下：首先将基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
本发明的有益效果是：（1）本方法通过可控制沉积，沉积出锰含量6.1～36.4at%（at%为原子百分数），钛含量在1.0～8.2at%的铝锰钛合金镀层；（2）采用该方法获得的铝锰钛合金镀层均一、光亮致密、与基底结合牢固；（3）本发明工艺简单，对设备的材质要求低，能耗较小，成本低廉。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（氯化1-乙基-3-甲基咪唑）与无水三氯化铝按摩尔比1：1.5混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.05mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.01mol/L；
（2）以预处理的基体（不锈钢）作为阴极，金属铝片作为阳极，阳极与阴极的距离为0.2cm，在电流密度为40A/m2、温度为20℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积1h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中不锈钢基体的预处理步骤为：首先将不锈钢基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为6.1at%，钛的含量为1.0at%。
实施例2
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（氯化1-乙基吡啶）与无水三氯化铝按摩尔比1：3混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为1mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.5mol/L；
（2）以预处理的基体（镁合金）作为阴极，金属钛片作为阳极，阳极与阴极的距离为5cm，在电流密度为100A/m2、温度为100℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积6h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中镁合金基体的预处理步骤为：首先将镁合金基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为36.4at%，钛的含量为8.2at%。
实施例3
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（四甲基氯化铵）与无水三氯化铝按摩尔比1：1.5混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.5mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.02mol/L；
（2）以预处理的基体（铝）作为阴极，石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为2cm，在电流密度为50A/m2、温度为80℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积4h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中铝基体的预处理步骤为：首先将铝基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为15.4at%，钛的含量为4.7at%。
实施例4
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（四乙基氯化铵）与无水三氯化铝按摩尔比1：2.5混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.5mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.02mol/L；
（2）以预处理的基体（不锈钢）作为阴极，石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为2cm，在电流密度为50A/m2、温度为80℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积4h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中不锈钢基体的预处理步骤为：首先将不锈钢基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为14.6at%，钛的含量为2.6at%。
实施例5
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（苯甲基乙基氯化铵）与无水三氯化铝按摩尔比1：2.5混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.5mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.02mol/L；
（2）以预处理的基体（碳钢）作为阴极，石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为2cm，在电流密度为50A/m2、温度为80℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积4h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中碳钢基体的预处理步骤为：首先将碳钢基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为26.5at%，钛的含量为3.8at%。
实施例6
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（氯化1-丁基-3-甲基咪唑）与无水三氯化铝按摩尔比1：2混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.1mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.05mol/L；
（2）以预处理的基体（铜）作为阴极，金属铝片作为阳极，阳极与阴极的距离为0.5cm，在电流密度为50A/m2、温度为100℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积6h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中铜基体的预处理步骤为：首先将铜基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为13.4at%，钛的含量为3.3at%。
实施例7
该离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物（氯化1-丁基吡啶）与无水三氯化铝按摩尔比1：2混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐（氯化锰）、钛盐（四氯化钛），混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐（氯化锰）的浓度为0.1mol/L、钛盐（四氯化钛）的浓度为0.01mol/L；
（2）以预处理的基体（碳钢）作为阴极，金属钛片作为阳极，阳极与阴极的距离为2cm，在电流密度为70A/m2、温度为60℃、步骤（1）制得的离子液体电解液下进行电沉积4h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金。
其中碳钢基体的预处理步骤为：首先将碳钢基体用砂纸抛光打磨，然后依次采用盐酸溶液（浓度为0.1mol/L）、丙酮、乙醇清洗，最后将预处理的基体干燥后即能作为阴极。
最终，通过本次方法电积出的铝锰钛合金中锰的含量为16.8at%，钛的含量为6.1at%。

Claims (4)

1.一种离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其特征在包括具体步骤如下：
（1）在惰气环境中，将有机化合物与无水三氯化铝按摩尔比1：1.5～3混合形成离子液体，然后依次在离子液体中加入锰盐、钛盐，混合均匀后制成离子液体电解液，其中离子液体电解液中锰盐的浓度为0.05～1mol/L、钛盐的浓度为0.01～0.5mol/L；
（2）以基体作为阴极，金属铝片、钛片或石墨作为阳极，阳极与阴极的距离为0.2～5cm，在电流密度为40～100A/m2、温度为20～100℃、步骤（3）制得的离子液体电解液下进行电沉积1～6h，然后取出阴极，经冲洗和干燥后，即在阴极基体表面得到铝锰钛合金；
所述有机化合物为氯化1-乙基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基-3-甲基咪唑、氯化1-丁基吡啶、氯化1-乙基吡啶、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵或苯甲基乙基氯化铵。
2.根据权利要求1所述的离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其特征在于：所述锰盐为氯化锰。
3.根据权利要求1所述的离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其特征在于：所述钛盐为四氯化钛。
4.根据权利要求1所述的离子液体电沉积铝锰钛合金的方法，其特征在于：所述基体为碳钢、不锈钢、镁合金、铜或铝。
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