CN107653465B - 一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法，采用多相脉冲电沉积技术，在一个电沉积周期内，工作电极上依次施加400～500mA/cm2的高电流密度和50～250mA/cm2的中电流密度，再关断一定的时间，循环多次后制得镍磷纳米结构非晶合金。电沉积过程中，高电流密度持续时间短，促进形核；中电流密度占据大部分的时间，促进核长大；关断时间内使电极表层附近的离子浓度充分复原。本发明方法制备的镍磷纳米结构非晶合金内部无氧化、界面无沾污，具有非常高的纯度和致密性，其质量优于传统的惰性气体冷凝法和磁控溅射法制备的纳米结构非晶合金。
Description
技术领域
本发明属于非晶态合金领域，涉及一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法。
背景技术
纳米结构非晶合金是一种新型非晶合金材料，由纳米级非晶态颗粒、以及颗粒与颗粒间形成的界面组成。界面处的自由体积比非晶颗粒内部要更多，因此在微观结构上存在着原子密度波动。通过控制引入界面的密度以及界面自由体积的扩散程度，能够对材料整体的原子结构和密度进行调控，进而实现材料的力学、电学、磁学等宏观性能的调控。
目前，惰性气体冷凝法是最常用的制备纳米结构非晶合金的方法。该方法先在惰性气氛中将所需材料蒸发，蒸发出来的材料原子与惰性气体碰撞冷凝形成纳米级非晶颗粒，真空原位收集纳米非晶颗粒后在高达5GPa的压力下压制成块体纳米结构非晶合金。上述方法已成功应用于Au-Si、Au-La、Cu-Sc、Fe-Sc、Fe-Si、Pd-Si、Ni-Ti、Ni-Zr、Ti-P等纳米结构非晶合金的制备，但非晶颗粒界面处存在氧化与孔隙的问题，影响材料的性能。磁控溅射和大塑性变形法也可用于制备纳米结构非晶合金。磁控溅射法获得的纳米结构非晶合金与惰性气体冷凝法制备得到的具有相近的结构和性质。大塑性变形法制备纳米结构非晶合金，这一研究还尚不完善，并且制备过程中也容易出现晶化现象。
电沉积法可用于制备非晶合金，目前为止，已经发展出电沉积(Fe,Co,Ni)P、(Ni,Pd,Cr)H、(Fe,Co,Ni)B、(Fe,Co,Ni)Mo、(Fe,Co)W等系列非晶合金。Ma等人用恒电流法在Nd-Fe-B永磁体衬底上成功长出非晶Ni-P镀层，通过改变电流密度、pH值、电沉积的水浴温度以及电镀液中亚磷酸的浓度获得了不同磷原子含量的NiP镀层，防腐蚀性能得到提高(C.B Ma等,Appl.Surf.Sci.，2006，253，2251-2256)。Zeller和Landau采用周期性反向电流法电沉积Ni-P非晶合金，在一个电沉积周期内相继施加正向电流和负向电流，通过改变正向电流和负向电流的数值、正向电流与负向电流持续的时间获得了一系列镍磷非晶合金(ZellerR L和Landau U，J.Electrochem.Soc.，1991，138，1010-1017)。现有的电沉积法只能制备传统的镍磷非晶合金，未能在镍磷非晶合金中引入纳米结构，进一步提高镍磷非晶合金的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法。该方法通过多相脉冲电沉积技术，采用该技术制备的镍磷纳米结构非晶合金内部无氧化、界面无沾污，具有非常高的纯度和致密性，其质量优于传统的惰性气体冷凝法和磁控溅射法制备的纳米结构非晶合金。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法，包括以下步骤：
以Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，置于电镀液中，在45～80℃的水浴温度下进行电沉积，每个电沉积周期内在工作电极上依次施加400～500mA/cm2的高电流密度和50～250mA/cm2的中电流密度，再关断电流，循环多次，即制得镍磷纳米结构非晶合金。
每个电沉积周期中，400～500mA/cm2的高电流密度的持续时间短，持续时间为1～2ms，促进形核；50～250mA/cm2的中电流密度占据大部分的时间，持续时间为20～30ms，促进核长大；关断是让电极表层附近的离子浓度充分复原，关断时间为4～9ms。
本发明中，通过改变电沉积的循环次数，可以控制电沉积镍磷纳米结构非晶合金薄膜的厚度。
本发明中的镍磷纳米结构非晶合金，成分为Ni100-xPx，式中x为原子百分比，满足16％≤x≤30％，所述的镍磷纳米结构非晶合金的颗粒尺寸半径大部分处在20～30nm，还有部分在1～20nm。
铜片按常规方法进行表面清洁化处理，先将铜片打磨抛光，在丙酮和酒精中超声进行脱油脱脂的处理，烘干后浸泡于3％稀硫酸中除锈。
本发明中，电镀液可以为现有技术常用的配方组成，本发明采用的电镀液的组分为：180～250g/L六水合硫酸镍，15～50g/L六水合氯化镍，8～40g/L亚磷酸，15～40g/L硼酸。
与现有技术相比，本发明通过各阶段电流不同时间的作用，控制颗粒的形核与成长，将非晶合金的颗粒尺寸控制在纳米级，从而得到纳米结构非晶合金。本发明方法制备的镍磷纳米结构非晶合金内部无氧化、界面无沾污，具有非常高的纯度和致密性，其质量优于传统的惰性气体冷凝法和磁控溅射法制备的纳米结构非晶合金，并且多相脉冲电沉积技术无需真空环境，制备成本低。
附图说明
图1是实施例1中的电流密度与时间关系图。
图2是实施例2中的电流密度与时间关系图。
图3是实施例3中的电流密度与时间关系图。
图4是实施例4中的电流密度与时间关系图。
图5是实施例5中的电流密度与时间关系图。
图6是镍磷纳米结构非晶薄膜的XRD图。
图7是镍磷纳米结构非晶薄膜的TEM图。
图8是镍磷纳米结构非晶薄膜的电子衍射结果图。
图9是镍磷结构纳米非晶薄膜的SEM表面形貌图。
图10是镍磷纳米结构非晶薄膜的SAXS的衍射结果。
图11是镍磷纳米结构非晶薄膜中颗粒尺寸分布图。
图12是镍磷结构纳米非晶薄膜的XPS分析图。
图13是镍磷结构纳米非晶薄膜的XPS分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
(1)电镀液的配制：NiSO4·6H2O，220g/L；NiCl·6H2O，25g/L；H3PO3，28g/L；H3BO3，28g/L。
(2)铜片表面清洁化处理：将2cm×2cm×1mm的铜片进行打磨抛光直至镜面效果，依次在丙酮、酒精中超声清洗30min来脱油脱脂，烘干，放在3％稀硫酸中浸泡1min除锈。
(3)电沉积：以2cm×1.5cm的Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，铜片背面布满不导电的透明胶。将200mL电镀液装入烧杯中，烧杯置于磁力搅拌水浴锅中，水温维持在50℃，电沉积过程中一直进行磁力搅拌。与电化学工作站相接，设置的电流和各电流维持的时间如图1所示，一个周期为30ms，500mA/cm2维持1ms，150mA/cm2维持10ms，接着施加50mA/cm2维持10ms，最后关断9ms。循环时间达到1小时，得到了镍磷纳米结构非晶薄膜。
实施例2
(1)电镀液的配制：NiSO4·6H2O，250g/L；NiCl·6H2O，50g/L；H3PO3，40g/L；H3BO3，40g/L。
(2)铜片表面清洁化处理：将2cm×2cm×1mm的铜片进行打磨抛光直至镜面效果，依次在丙酮、酒精中超声清洗30min来脱油脱脂，烘干，放在3％稀硫酸中浸泡1min除锈。
(3)电沉积：以2cm×1.5cm的Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，铜片背面布满不导电的透明胶。将200mL电镀液装入烧杯中，烧杯置于磁力搅拌水浴锅中，水温维持在50℃，电沉积过程中一直进行磁力搅拌。与电化学工作站相接，设置的电流和各电流维持的时间如图2所示，一个周期为40ms，500mA/cm2维持1ms，然后250mA/cm2维持10ms，150mA/cm2维持10ms，接着施加50mA/cm2维持10ms，最后关断9ms。循环时间达到1小时，得到了镍磷纳米结构非晶薄膜。
实施例3
(1)电镀液的配制：NiSO4·6H2O，180g/L；NiCl·6H2O，15g/L；H3PO3，20g/L；H3BO3，15g/L。
(2)铜片表面清洁化处理：将2cm×2cm×1mm的铜片进行打磨抛光直至镜面效果，依次在丙酮、酒精中超声清洗30min来脱油脱脂，烘干，放在3％稀硫酸中浸泡1min除锈。
(3)电沉积：以2cm×1.5cm的Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，铜片背面布满不导电的透明胶。将200mL电镀液装入烧杯中，烧杯置于磁力搅拌水浴锅中，水温维持在50℃，电沉积过程中一直进行磁力搅拌。与电化学工作站相接，设置的电流和各电流维持的时间如图3所示，一个周期为30ms，400mA/cm2维持1ms，250mA/cm2维持10ms，接着施加100mA/cm2维持10ms，最后关断9ms。循环时间达到1小时，得到了镍磷纳米结构非晶薄膜。
实施例4
(1)电镀液的配制：NiSO4·6H2O，220g/L；NiCl·6H2O，25g/L；H3PO3，28g/L；H3BO3，28g/L。
(2)铜片表面清洁化处理：将2cm×2cm×1mm的铜片进行打磨抛光直至镜面效果，依次在丙酮、酒精中超声清洗30min来脱油脱脂，烘干，放在3％稀硫酸中浸泡1min除锈。
(3)电沉积：以2cm×1.5cm的Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，铜片背面布满不导电的透明胶。将200mL电镀液装入烧杯中，烧杯置于磁力搅拌水浴锅中，水温维持在50℃，电沉积过程中一直进行磁力搅拌。与电化学工作站相接，设置的电流和各电流维持的时间如图4所示，一个周期为25ms，500mA/cm2维持1ms，200mA/cm2维持20ms，最后关断4ms。循环时间达到1小时，得到了镍磷纳米结构非晶薄膜。
实施例5
(1)电镀液的配制：NiSO4·6H2O，200g/L；NiCl·6H2O，25g/L；H3PO3，8g/L；H3BO3，24g/L。
(2)铜片表面清洁化处理：将2cm×2cm×1mm的铜片进行打磨抛光直至镜面效果，依次在丙酮、酒精中超声清洗30min来脱油脱脂，烘干，放在3％稀硫酸中浸泡1min除锈。
(3)电沉积：以2cm×1.5cm的Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，铜片背面布满不导电的透明胶。将200mL电镀液装入烧杯中，烧杯置于磁力搅拌水浴锅中，水温维持在50℃，电沉积过程中一直进行磁力搅拌。与电化学工作站相接，设置的电流和各电流维持的时间如图5所示，一个周期为26ms，500mA/cm2维持2ms，200mA/cm2维持20ms，最后关断4ms。循环时间达到1小时，得到了镍磷纳米结构非晶薄膜。
表征及检测
将实施例1～5制备的镍磷纳米结构非晶薄膜进行X射线衍射分析、透射电镜观察、扫描电镜观察、X射线光电子能谱分析、X射线小角衍射分析和同步辐射广角X射线衍射分析，各实施例制备的镍磷纳米结构非晶薄膜分析、观察结果相似。
1.X射线衍射分析
用X射线衍射法表征镍磷纳米结构非晶薄膜的结构。测试结果如图6所示，XRD图谱上只存在一个宽的漫散射峰，说明其结构为完全非晶结构。
2.透射电镜观察
用透射电镜表征镍磷纳米结构非晶薄膜的内部原子结构。测试结果如图7和图8所示，结果表明镍磷纳米结构非晶薄膜内部原子排列无序。图8为选区电子衍射结果，表明有一个非晶衍射环，是典型的非晶结构。
3.扫描电镜观察
用扫描电镜观察镍磷纳米结构非晶薄膜的表面形貌。结果如图9所示，表明镍磷纳米结构非晶薄膜的表面形貌大部分由致密的20至35nm的颗粒组成。
4.X射线小角衍射分析
用X射线小角衍射分析镍磷纳米结构非晶薄膜内部组成结构。结果如图10和图11所示。图10显示镍磷纳米非晶合金的内部原子结构与传统的镍磷非晶不同。传统NiP非晶是用甩带法制备出来的(参考文献[杨春秀镁基块体非晶合金的制备及性能研究[D]兰州理工大学2005年])。图10显示NiP纳米非晶的X射线的散射强度比传统NiP非晶更强。图11是NiP纳米非晶颗粒尺寸模拟分布图，粒径分布大部分在20～35nm，还有少量分布在10～20nm和1～5nm，纳米非晶中颗粒尺寸的变化带来了电子密度分布的不均匀，增强了纳米非晶的X射线散射。
表1为各个实例中样品的颗粒尺寸模拟分布各粒径范围所占的百分比。从表中可以看出随着电流密度-电沉积时间关系图中第一阶段高电流密度的增大和高电流密度持续时间的增加，小尺寸的非晶颗粒百分比有增大趋势；而第二阶段中电流密度的增大，促进颗粒长大，大尺寸颗粒所占百分比呈现增大趋势。因此本发明的多相脉冲电沉积法能够调控颗粒尺寸。
表1各实施例制得的样品的粒径分布
| 粒径分布 | 0-5nm | 10-20nm | 20-40nm |
| 实施例1 | 2％ | 15％ | 83％ |
| 实施例2 | 2％ | 14％ | 84％ |
| 实施例3 | 1.5％ | 16％ | 82.5％ |
| 实施例4 | 2％ | 17％ | 81％ |
| 实施例5 | 3.5％ | 14.5％ | 82％ |
5.X射线光电子能谱分析
用X射线光电子能谱分析表征镍磷纳米结构非晶薄膜的元素含量。结果如图12和图13所示。图12和图13表明样品纯度很高，几乎不含碳和氧。
Claims (3)
1.一种多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：以Pt片为阳极，以表面清洁化处理后的铜片为阴极，置于电镀液中，在45～80℃的水浴温度下进行电沉积，每个电沉积周期内在工作电极上依次施加400～500mA/cm2的高电流密度和50～250mA/cm2的中电流密度，再关断电流，循环多次，即制得镍磷纳米结构非晶合金；每个电沉积周期中，所述的高电流密度的持续时间为1～2ms，所述的中电流密度的持续时间为20～30ms，所述的关断时间为4～9ms。
2.根据权利要求1所述的多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法，其特征在于，铜片的表面清洁化处理为先将铜片打磨抛光，在丙酮和酒精中超声进行脱油脱脂的处理，烘干后浸泡于3％稀硫酸中除锈。
3.根据权利要求1所述的多相脉冲电沉积制备镍磷纳米结构非晶合金的方法，其特征在于，所述的电镀液的组分为：180～250g/L六水合硫酸镍，15～50g/L六水合氯化镍，8～40g/L亚磷酸，15～40g/L硼酸。
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