CN104451830B - 一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法及装置。其特征在于：将基材经过预处理后置入电镀槽中，通过超声发生器、脉冲电磁场发生器和脉冲电源为镀槽施加超声场、电磁场和电场，实现多场耦合电沉积，具体过程：加热超声波介质，放入电沉积装置，打开脉冲电源、超声波发生器、脉冲电磁场发生器，将经过前处理的基材放入所配置好的复合镀液中进行电沉积；然后进行镀件的后处理，将第二步沉积完成的镀件进行超声清洗，丙酮清洗，无水乙醇清洗。本方法的复合镀液中均匀分布有镍离子和不溶性纳米陶瓷颗粒，施加脉冲电磁场和正负脉冲电流或电压的状态下使纳米陶瓷颗粒和基质金属离子共沉积而得到由基质金属镍与纳米颗粒构成的金属基纳米陶瓷复合材料。

Description

一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法及装置

技术领域：

本发明涉及一种在实验室内制备复合材料的方法以及专用装置。

背景技术：

随着科学技术的发展，工业领域对材料性能提出更高、更苛刻的要求，例如，耐高温、高强度、高显微硬度、优异的耐磨性能和耐腐蚀性能等。当前作为单一的金属、陶瓷、聚合物等材料各自固有的局限性而不能满足现代科学技术发展的需要，纳米复合材料就是为了满足以上高新技术发展的需求而开发的高性能先进材料，而金属基纳米陶瓷复合镀层因具备金属和非金属材料的优异性能，已成为纳米复合材料研究和关注的重点，现已广泛应用于航空航天领域。

与传统的金属基复合材料相比，金属基纳米陶瓷复合镀层的显微硬度、强度、耐磨、耐腐蚀、导热性能等均有大幅度提高。以金属基纳米陶瓷复合镀层取代金属零件表面常用的金属镀层，不仅克服了金属镀层的缺陷(如镀层薄、显微硬度低、耐磨性能差等)，延长金属零件的使用寿命，而且纳米科技的进一步发展及生产应用也具有重要的学术价值。但是，这种新型材料由于其生产工艺的复杂，现有的实验室中还没有一种简单可行的制备方法，所以导致目前在高校实验室内还不能按照需要而获得金属基纳米陶瓷材料。

发明内容：

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法及装置，利用该装置实施本发明所述方法后，使得镍离子和不溶性纳米陶瓷颗粒在复合镀液中均匀分布，在施加脉冲电磁场和正负脉冲电流或电压的状态下使纳米陶瓷颗粒和基质金属离子共沉积而得到由基质金属镍与纳米颗粒共同构成的金属基纳米陶瓷复合材料，从而解决了现有技术中存在的缺陷，为在高校内开展相应的科学研究提供了便利条件。

本发明的技术方案是：该种实验室内制备金属基纳米陶瓷的装置，包括带有内容腔的超声波发生器、能够输出正负脉冲的脉冲电源、脉冲电磁场发生器以及加热装置。

其中，在超声波发生器的内容腔侧壁上固定有垫块，在垫块上固定有水平的网状隔板，在网状隔板上固定有纵截面呈“U”字型的盆状镀槽，镀槽的底脚插入网状隔板上的固定孔而实现固定；在超声波发生器的内容腔顶端固定有一块防蒸发绝缘盖板，防蒸发绝缘盖板上开有若干螺栓孔并配有若干用于实现导体连接的空心双层螺栓以及采用导电材料制成的上、下接头，螺栓孔内开有内螺纹，上、下接头的外面开有外螺纹；所述空心双层螺栓由两层材料复合而成，其中外层采用绝缘材料制成，并开有与所述螺栓孔上的内螺纹相配合的外螺纹，内层采用导体制成，并开有与所述上、下接头上的外螺纹相配合的内螺纹；脉冲电源和脉冲电磁场发生器的电源输出端分别经由导线与对应的上接头进行电连接。

在镀槽外侧的两个相反方向处分别固定有脉冲电磁场发生器的两个输出线圈，所述输出线圈的电连接端经过绝缘导线电连接至与其对应的一对下接头上；在镀槽里侧的两个相反方向处分别固定有阴极板固定夹和阳极板固定夹；阴极板固定夹和阳极板固定夹的结构相同，均采用绝缘材料制成，由上夹板、立板以及下夹板依次连接后构成，其中，在立板的上端固定连接有一个L形弯板，在上夹板和下夹板上对应开有极板上卡槽和极板下卡槽，在上夹板的中央还开有一个供极板连接导线穿过的导引槽，L形弯板卡在镀槽的侧边上实现对阴极板固定夹和阳极板固定夹的固定，固定于阴极板固定夹和阳极板固定夹上的阴极板和阳极板的电连接端分别经过极板连接导线电连接至与其对应的另一对下接头上。

所述空心双层螺栓固定于螺栓孔内，已对应连接完毕的全部下接头旋入对应空心双层螺栓的底部，已对应连接完毕的全部上接头旋入对应空心双层螺栓的上部。

加热装置的电加热管位于超声波发生器的内容腔中，处于网状隔板的下方，所述电加热管的连接导线经过绝缘密封垫密封后引出，连接至加热装置电源的电流输出端。

利用以上装置在实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法，该方法由如下步骤组成：

第一步，对作为试样的基材依次进行除油、除锈、电解抛光以及活化；

第二步，按照如下比例配制复合镀液，即十六烷基溴化碘0.5mg/l～2mg/l、十二烷基硫酸钠0.2g/l～0.9g/l、CG-550偶联剂2g/l～5g/l、糖精钠(C₇H₄NO₃SNa)2g/l～6g/l、纳米颗粒2g/l～15g/l、硼酸(H₃BO₃)20g/l～40g/l、氯化镍(NiCl₂·6H₂O)30g/l～50g/l、硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)300g/l～400g/l，其余成分为水；

所述纳米颗粒为氮化钛TiN、三氧化二铝Al₂O₃、碳化硅SiC中的一种或几种，纳米颗粒的粒径范围为20nm～80nm；

第三步，启动加热装置，加热位于超声波发生器的内容腔中的超声波介质，控制超声波介质的温度范围在45摄氏度到55摄氏度之间；

第四步，将经第一步处理好的基材固定在装置中的阴极板固定夹上，阳极板固定夹上固定镍板或其他二价纯金属的金属板；

第五步，将经第二步配制好的复合镀液倒入权利要求1所述装置中的镀槽内；

第六步，启动装置中的超声波发生器、脉冲电磁场发生器以及脉冲电源，对第四步固定好的基材进行电沉积；所述电沉积过程按照如下方式进行：

脉冲电流的电流密度值范围在5A/dm²～9A/dm²，脉冲宽度范围在0ms～200ms之间，脉冲间歇范围在0ms～1000ms之间，脉冲占空比在1:10～9:10之间，脉冲频率范围在10Hz～4000Hz之间，脉冲波形为矩形；极间距范围在15mm～50mm之间，pH值在3～5.5之间，温度范围在45℃～60℃之间，电沉积时间范围在10min～90min之间。

第七步，对经第六步电沉积后的基材镀件进行清洗处理。

本发明具有如下有益效果：

本发明所述的一种多场耦合电沉积制备金属基纳米陶瓷复合材料的方法及其实验装置，其中采用的超声波可以抑制纳米粒子团聚，促进粒子沉积，细化基质晶粒；采用的磁场对复合镀液可产生磁流体力学效应，减小扩散层厚度，促进氢气排出，还可以提高电流效率和沉积速率；采用的电场可以控制晶粒成核、生长，提高镀层结合力，从而获得表面致密均匀的金属基纳米陶瓷镀层。在实验室内利用本发明所述方法及装置制备金属基纳米陶瓷镀层，简单易行，成本低，不仅克服了常规实验室内获得的金属镀层的缺陷，例如镀层薄、显微硬度低、耐磨性能差等问题，而且延长了金属零件的使用寿命。而且可以按照实验的需要制备出相应的纳米涂层，对纳米科技的进一步发展及生产应用研究也具有重要的价值。

附图说明：

图1是本发明所述装置的结构示意图。

图2是本发明所述防蒸发绝缘盖板的结构示意图。

图3是本发明所述空心双层螺栓的结构示意图。

图4是本发明所述上接头的结构示意图。

图5是本发明所述下接头的结构示意图。

图6是本发明所述阴极板固定夹的侧视结构示意图。

图7是本发明所述阴极板固定夹的主视结构示意图。

图8是本发明一个具体实施例下脉冲电源输出的电流波形图。

图中1-超声波发生器，2-网状隔板，3-水，4-镀槽，5-镀液，6-脉冲电源，7-阴极板固定夹，8-阳极板固定夹，9-脉冲电磁场发生器，10-防蒸发绝缘盖板，11-垫块，12-加热装置,13-绝缘密封垫,14-加热装置电源,15-螺栓孔,16-内层,17-外层，18-上接头，19-下接头，20-L形弯板，21-上夹板，22-导引槽，23-极板上卡槽，24-立板，25-下夹板，26-极板下卡槽，27-极板，28-极板连接导线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1所示，该种实验室内制备金属基纳米陶瓷的装置，包括带有内容腔的超声波发生器1、能够输出正负脉冲的脉冲电源6、脉冲电磁场发生器9以及加热装置12。

其中，在超声波发生器1的内容腔侧壁上固定有垫块11，在垫块11上固定有水平的网状隔板2，在网状隔板2上固定有纵截面呈“U”字型的盆状镀槽4，镀槽4的底脚插入网状隔板2上的固定孔而实现固定；在超声波发生器1的内容腔顶端固定有一块防蒸发绝缘盖板10，其结构如图2所示，防蒸发绝缘盖板10上开有若干螺栓孔15并配有若干用于实现导体连接的空心双层螺栓以及采用导电材料制成的上接头18、下接头19，上接头18和下接头19的结构图如图4、图5所示，螺栓孔15内开有内螺纹，上接头18、下接头19的外面开有外螺纹；所述空心双层螺栓由两层材料复合而成，其结构如图3所示，其中外层17采用绝缘材料制成，并开有与所述螺栓孔15上的内螺纹相配合的外螺纹，内层16采用导体制成，并开有与所述上、下接头上的外螺纹相配合的内螺纹；脉冲电源6和脉冲电磁场发生器9的电源输出端分别经由导线与对应的上接头18进行电连接。

在镀槽4外侧的两个相反方向处分别固定有脉冲电磁场发生器9的两个输出线圈，所述输出线圈的电连接端经过绝缘导线电连接至与其对应的一对下接头上；在镀槽4里侧的两个相反方向处分别固定有阴极板固定夹7和阳极板固定夹8；阴极板固定夹7和阳极板固定夹8的结构相同，均采用绝缘材料制成，其结构如图6和图7所示，由上夹板21、立板24以及下夹板25依次连接后构成。其中，在立板24的上端固定连接有一个L形弯板20，在上夹板21和下夹板25上对应开有极板上卡槽23和极板下卡槽26，在上夹板21的中央还开有一个供极板连接导线28穿过的导引槽22，L形弯板20卡在镀槽4的侧边上实现对阴极板固定夹7和阳极板固定夹8的固定，固定于阴极板固定夹7和阳极板固定夹8上的阴、阳两种极板27的电连接端分别经过极板连接导线28电连接至与其对应的另一对下接头上。

所述空心双层螺栓固定于螺栓孔15内，已对应连接完毕的全部下接头19旋入对应空心双层螺栓的底部，已对应连接完毕的全部上接头18旋入对应空心双层螺栓的上部。这样，在一次操作过程中，可以完成对多块极板的固定和实施制备涂层。

加热装置12的电加热管位于超声波发生器1的内容腔中，处于网状隔板2的下方，所述电加热管的连接导线经过绝缘密封垫13密封后引出，连接至加热装置电源14的电流输出端。

下面给出利用上述装置在实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法，该方法由如下步骤组成：

第一步，对作为试样的基材依次进行除油、除锈、电解抛光以及活化。

具体过程如下：用砂纸将试件表面的毛刺、氧化物等异物打磨干净，减少表面粗糙度。对基材进行除油的溶液配方如下：氢氧化钠80g/l、洗洁精3g/l、温度70℃、时间9min。采用的除锈液配方：硫酸220g/l、盐酸50g/l、硫脲4g/l、十二烷基硫酸钠0.03g/l、温度为常温、时间9min。电解抛光溶液配方及工艺参数：磷酸75％、铬酸21％、水4％、电流密度50A/dm²、温度70℃、时间4min。活化：用5％的稀盐酸，室温下进行，时间为60s。

第二步，按照如下比例配制复合镀液，即十六烷基溴化碘0.5mg/l～2mg/l、十二烷基硫酸钠0.2g/l～0.9g/l、CG-550偶联剂2g/l～5g/l、糖精钠(C₇H₄NO₃SNa)2g/l～6g/l、纳米颗粒2g/l～15g/l、硼酸(H₃BO₃)20g/l～40g/l、氯化镍(NiCl₂·6H₂O)30g/l～50g/l、硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)300g/l～400g/l，其余成分为水；

所述纳米颗粒为氮化钛TiN、三氧化二铝Al₂O₃、碳化硅SiC中的一种或几种，纳米颗粒的粒径范围为20nm～80nm；

第三步，启动权利要求1所述装置中的加热装置12，加热位于超声波发生器1的内容腔中的超声波介质3，控制超声波介质3的温度范围在45摄氏度到55摄氏度之间。

第四步，将经第一步处理好的基材固定在权利要求1所述装置中的阴极板固定夹7上，阳极板固定夹8上固定镍板或其他二价纯金属的金属板；

第五步，将经第二步配制好的复合镀液倒入权利要求1所述装置中的镀槽4内；

第六步，启动权利要求1所述装置中的超声波发生器1、脉冲电磁场发生器9以及脉冲电源6，对第四步固定好的基材进行电沉积；所述电沉积过程按照如下方式进行：

脉冲电流的电流密度值范围在5A/dm²～9A/dm²，脉冲宽度范围在0ms～200ms之间，脉冲间歇范围在0ms～1000ms之间，脉冲占空比在1:10～9:10之间，脉冲频率范围在10Hz～4000Hz之间，脉冲波形为矩形；极间距范围在15mm～50mm之间，pH值在3～5.5之间，温度范围在45℃～60℃之间，电沉积时间范围在10min～90min之间。

另外需要尽量满足以下条件超声波的波向为：X，Y，X+Y；功率为0～360W；电磁场方向X，Y，X+Y；电磁场强度0～1T。

第七步，对经第六步电沉积后的基材镀件进行清洗处理。主要包括超声清洗、丙酮清洗和无水乙醇清洗。

之后，便可以得到适于实验室内应用的被镀上金属基纳米陶瓷镀层的可用材料。所得到的纳米复合镀层的表面平整光亮，表面粗糙度很小，并且具有很高的显微硬度和磁性能等优良性能。

Claims (2)

1.一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的装置，包括带有内容腔的超声波发生器(1)、能够输出正负脉冲的脉冲电源(6)、脉冲电磁场发生器(9)以及加热装置(12)；

其中，在超声波发生器(1)的内容腔侧壁上固定有垫块(11)，在垫块(11)上固定有水平的网状隔板(2)，在网状隔板(2)上固定有纵截面呈“U”字型的盆状镀槽(4)，镀槽(4)的底脚插入网状隔板(2)上的固定孔而实现固定；在超声波发生器(1)的内容腔顶端固定有一块防蒸发绝缘盖板(10)，防蒸发绝缘盖板(10)上开有若干螺栓孔(15)并配有若干用于实现导体连接的空心双层螺栓以及采用导电材料制成的上、下接头(18，19)，螺栓孔(15)内开有内螺纹，上、下接头(18，19)的外面开有外螺纹；所述空心双层螺栓由两层材料复合而成，其中外层(17)采用绝缘材料制成，并开有与所述螺栓孔(15)上的内螺纹相配合的外螺纹，内层(16)采用导体制成，并开有与所述上、下接头上的外螺纹相配合的内螺纹；脉冲电源(6)和脉冲电磁场发生器(9)的电源输出端分别经由导线与对应的上接头(18)进行电连接；

在镀槽(4)外侧的两个相反方向处分别固定有脉冲电磁场发生器(9)的两个输出线圈，所述输出线圈的电连接端经过绝缘导线电连接至与其对应的一对下接头上；在镀槽(4)里侧的两个相反方向处分别固定有阴极板固定夹(7)和阳极板固定夹(8)；阴极板固定夹(7)和阳极板固定夹(8)的结构相同，均采用绝缘材料制成，由上夹板(21)、立板(24)以及下夹板(25)依次连接后构成，其中，在立板(24)的上端固定连接有一个L形弯板(20)，在上夹板(21)和下夹板(25)上对应开有极板上卡槽(23)和极板下卡槽(26)，在上夹板(21)的中央还开有一个供极板连接导线(28)穿过的导引槽(22)，L形弯板(20)卡在镀槽(4)的侧边上实现对阴极板固定夹(7)和阳极板固定夹(8)的固定，固定于阴极板固定夹(7)和阳极板固定夹(8)上的阴极板和阳极板的电连接端分别经过极板连接导线(28)电连接至与其对应的另一对下接头上；

所述空心双层螺栓固定于螺栓孔(15)内，已对应连接完毕的全部下接头(19)旋入对应空心双层螺栓的底部，已对应连接完毕的全部上接头(18)旋入对应空心双层螺栓的上部；

加热装置(12)的电加热管位于超声波发生器(1)的内容腔中，处于网状隔板(2)的下方，所述电加热管的连接导线经过绝缘密封垫(13)密封后引出，连接至加热装置电源(14)的电流输出端。

2.一种实验室内制备金属基纳米陶瓷的方法，该方法由如下步骤组成：

第一步，对作为试样的基材依次进行除油、除锈、电解抛光以及活化；

第二步，按照如下比例配制复合镀液，即十六烷基溴化碘0.5mg/l～2mg/l、十二烷基硫酸钠0.2g/l～0.9g/l、CG-550偶联剂2g/l～5g/l、糖精钠(C₇H₄NO₃SNa)2g/l～6g/l、纳米颗粒2g/l～15g/l、硼酸(H₃BO₃)20g/l～40g/l、氯化镍(NiCl₂·6H₂O)30g/l～50g/l、硫酸镍(NiSO₄·6H₂O)300g/l～400g/l，其余成分为水；

所述纳米颗粒为氮化钛TiN、三氧化二铝Al₂O₃、碳化硅SiC中的一种或几种，纳米颗粒的粒径范围为20nm～80nm；

第三步，启动权利要求1所述装置中的加热装置(12)，加热位于超声波发生器(1)的内容腔中的超声波介质(3)，控制超声波介质(3)的温度范围在45摄氏度到55摄氏度之间；

第四步，将经第一步处理好的基材固定在权利要求1所述装置中的阴极板固定夹(7)上，阳极板固定夹(8)上固定镍板或其他二价纯金属的金属板；

第五步，将经第二步配制好的复合镀液倒入权利要求1所述装置中的镀槽(4)内；

第六步，启动权利要求1所述装置中的超声波发生器(1)、脉冲电磁场发生器(9)以及脉冲电源(6)，对第四步固定好的基材进行电沉积；所述电沉积过程按照如下方式进行：

脉冲电流的电流密度值范围在5A/dm²～9A/dm²，脉冲宽度范围在0ms～200ms之间，脉冲间歇范围在0ms～1000ms之间，脉冲占空比在1:10～9:10之间，脉冲频率范围在10Hz～4000Hz之间，脉冲波形为矩形；极间距范围在15mm～50mm之间，pH值在3～5.5之间，温度范围在45℃～60℃之间，电沉积时间范围在10min～90min之间；

第七步，对经第六步电沉积后的基材镀件进行清洗处理。