CN1644761A - 含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层及制备方法 - Google Patents

含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的复合镀层及其制备方法。这种复合镀层的制备是采用复合化学镀或复合电沉积，在复合镀液中含有5～40g/L的类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料。所述的类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料为LaF3，CeF3，PrF3，NdF3或SmF3，其粒径在20～60纳米。本发明的复合镀层具有高的耐磨和减摩性能。在同等测试条件下，其磨损量是Ni－P镀层的17～30％，摩擦系数在0.03－0.04，而Ni－P镀层摩擦系数在0.11－0.12。本发明的复合镀层具有高耐磨和减摩性能，其制备方法简单。这种复合镀层在现代工业技术上具有广泛的应用。

Description

含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层及制备方法
技术领域
本发明涉及用金属材料对材料的镀覆，尤其是涉及含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层及制备方法。
背景技术
复合镀层具有良好的耐磨和减摩性能，在工业技术中具有广泛的应用。目前，在复合镀层中所含有的固体颗粒主要有：碳化硅、氧化铝、石墨、硫化钨和硫化钼。含有碳化硅、氧化铝、石墨、硫化钨或硫化钼的Ni-P复合镀层的磨损率可以降低到Ni-P复合镀层的40％-50％，摩擦系数从Ni-P镀层的0.11-0.12降低到0.10-0.06。但是目前含有这些固体颗粒的复合镀层的耐磨性能和减摩性能还不是十分理想。另外，在高温下(400℃以上)硫化钨和硫化钼会被分解氧化。
最近具有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的合成和应用研究引起了人们的极大兴趣，这些纳米材料具有球形或类球形形貌，在空气气氛中热稳定性可以达到800-400℃。这些具有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料采用水热法合成，合成温度较低(在100-180℃)，原料价格便宜，合成设备简单，可以批量合成。具体的合成过程在文献(Xun Wang and Yadong Li，Fullerene-likerare-earth nanoparticles，Angew.Chem.Int.Ed，2003，42，3497-3500.)已有详细的说明。
但是迄今为止有关用具有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料制备耐磨和减摩的复合镀层的研究还未见公开报道。
发明内容
本发明涉及含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层及制备方法，用复合化学镀或复合电沉积法制备一种不仅具有高耐磨性能，并具有低摩擦系数的镍基复合镀层。
本发明采用的技术方案是：
含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层，是在镀层中含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料。其粒径为20～60纳米；所述的类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料为LaF3，CeF3，PrF3，NdF3或SmF3。
含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层的制备方法，采用复合化学镀或复合电沉积的方法，在复合镀液中含有3～50g/L的类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料。
方案1：
含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的复合镀层的制备方法采用复合化学镀的方法，化学镀溶液和工艺条件如下：
硫酸镍或氯化镍                                         10～35g/L
次亚磷酸钠或硼氢化钠                                   0.5～35g/L
钨酸钠                                                 0～70g/L
柠檬酸钠或乙二胺                                       0～100g/L
乳酸                                                   0～20mL/L
pH                                                     4～14
温度                                                   60～90℃
类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料                       5～40g/L
镀覆时间                                               2～4小时
用醋酸或醋酸钠或氢氧化钠或硫酸铵调整溶液的pH值。
方案2：
含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的复合镀层的制备方法是采用复合电沉积的方法，复合电沉积溶液和工艺条件如下：
硫酸镍                                                150～300g/L
氯化镍                                                10～80g/L
硼酸                                                  0～40g/L
次亚磷酸钠或亚磷酸                                    0～40g/L
硫酸纳                                                20～90g/L
温度                                                  15～80℃
类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料                      5～40g/L
阴极电流密度                                          1～5A/dm2
时间                                                  1～3小时
与背景技术相比本发明具有的有益的效果是：
1)本发明的含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的的复合镀层具有高的耐磨性能和低的摩擦系数。在同等测试条件下，其磨损量为Ni-P镀层的17-30％，是Ni-P-SiC的40-50％，其摩擦系数只有0.030-0.037，而Ni-P镀层和Ni-P-SiC复合镀层的摩擦系数为0.10-0.11；
2)本发明的复合镀层中含有的类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料在空气中具有很高的热稳定性，因此也适合高温环境下的摩擦学使用；
3)本发明采用的类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料合成方法简单，可以批量合成，成本低廉；
4)本发明采用的化学复合镀和复合电沉积方法制备含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的复合镀层的方法简单，适合于工业化生产：
5)本发明的含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的的复合镀层具有高耐磨和减摩性能，可以延长金属零件的使用寿命，并且降低能源消耗，有利于环境保护，因此在汽车、机械、化工、航空航天等工业部门具有广泛的应用。
具体实施方式
实施例1：
用复合化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni-P复合镀层。其镀覆方法如下：硫酸镍24g/L，次亚磷酸钠23g/L，乳酸5mL/L，醋酸钠12g/L，pH＝5.5，温度85℃，类富勒烯结构LaF3纳米材料8g/L，时间3小时。摩擦磨损实验结果表明：含有类富勒烯结构LaF3纳米材料的Ni-P复合镀层的磨损量减少为Ni-P化学镀层的17～26％、Ni-P-碳化硅化学复合镀层的40～50％，其摩擦系数为0.027，而Ni-P和Ni-P-碳化硅化学镀层的摩擦系数为0.11和0.10。证明含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni-P复合镀层具有更好的耐磨和减摩性能。
实施例2：
用复合化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni-W-P复合镀层。其镀覆方法如下：硫酸镍25g/L，钨酸钠65g/L，次亚磷酸钠22g/L，柠檬酸钠100g/L，乳酸6mL/L，硫酸铵30g/L，pH＝9.4，温度90℃，类富勒烯结构CeF3纳米材料6g/L，时间2.5小时。摩擦磨损实验结果表明含有类富勒烯结构CeF3纳米材料的Ni-W-P复合镀层的磨损量是Ni-W-P-氧化铝化学复合镀层的60～70％，其摩擦系数为0.031，而Ni-W-P-氧化铝复合镀层的摩擦系数为0.06。
实施例3：
用复合化学镀的方法在45#钢基体上镀覆含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni-B复合镀层。其镀覆方法如下：氯化镍30g/L，硼氢化钠0.8g/L，乙二胺55g/L，氢氧化钠40g/L，pH＝14，温度75℃，类富勒烯结构的PrF3纳米材料的10g/L，时间3小时。摩擦磨损实验发现：含有类富勒烯结构的PrF3纳米材料的Ni-B复合镀层的磨损量分别是Ni-B镀层的21～30％、Ni-B-石墨复合镀层的35～43％，其摩擦系数为0.035，而Ni-B和Ni-B-石墨的摩擦系数为0.12和0.065。
实施例4：
用复合电沉积的方法在45#钢基体上镀覆含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni复合镀层。电镀溶液的成分和操纵条件如下：硫酸镍250g/L，氯化镍30g/L，硼酸30g/L，pH＝3～4，温度45～60℃，类富勒烯结构的NdF3纳米材料30g/L，阴极电流密度：2A/dm2，时间2小时。摩擦磨损实验结果表明含有类富勒烯结构NdF3纳米材料的Ni复合镀层的磨损量是Ni镀层的25～31％，其摩擦系数为0.037，Ni镀层的摩擦系数为0.13。
实施例5：
用复合电沉积的方法在45#钢基体上镀覆含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料的Ni-P复合镀层。电镀溶液的成分和操纵条件如下：硫酸镍200 g/L，氯化镍15g/L，次亚磷酸钠8g/L，硫酸钠40g/L，温度75℃，类富勒烯结构SmF3纳米材料20g/L，阴极电流密度：1.5A/dm2，时间2小时。摩擦磨损实验结果表明含有类富勒烯结构SmF3纳米材料的Ni-P复合镀层的磨损量是Ni-P镀层的20～25％，其摩擦系数为0.035，Ni-P镀层的摩擦系数为0.10。

Claims (4)

1.含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层，其特征在于：在镀层中含有类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料，其粒径为20～60纳米；所述的类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料为LaF3，CeF3，PrF3，NdF3或SmF3。
2.含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层的制备方法，其特征在于：采用复合化学镀和复合电沉积的方法，在复合镀液中含有3～50g/L的类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料。
3.根据权利要求2所述的含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层的制备方法，其特征在于复合化学镀溶液和工艺条件如下：
硫酸镍或氯化镍                                 10～35g/L
次亚磷酸钠或硼氢化钠                           0.5～35g/L
钨酸钠                                         0～70g/L
柠檬酸钠或乙二胺                               0～100g/L
乳酸                                           0～20mL/L
pH                                             4～14
温度                                           60～90℃
类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料               5～40g/L
镀覆时间                                       2～4小时
用醋酸或醋酸钠或氢氧化钠或硫酸铵调整溶液的pH值。
4.根据权利要求2所述的含类富勒烯结构稀土氟化物纳米材料复合镀层的制备方法，其特征在于复合电沉积溶液和工艺条件如下：
硫酸镍                                       150～300g/L
氯化镍                                       10～80g/L
硼酸                                         0～40g/L
次亚磷酸钠或亚磷酸                           0～40g/L
硫酸纳                                       20～90g/L
温度                                         15～80℃
类富勒烯结构的稀土氟化物纳米材料：           5～40g/L
阴极电流密度                                 1～5A/dm2
时间                                         1～3小时
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