磁场下电沉积制备Co-W合金镀层

余云丹，孙丽侠，楼俊尉，葛洪良，卫国英

（中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018）

磁场下电沉积制备Co-W合金镀层

余云丹，孙丽侠，楼俊尉，葛洪良，卫国英

（中国计量学院 材料科学与工程学院，浙江 杭州 310018）

在磁场下电沉积制备Co-W合金镀层，研究了磁场强度对镀层沉积速率、微观形貌、成分以及磁性能等的影响。结果表明：沉积速率随着磁场强度的增大而显著提高；洛伦兹力可以降低电极表面的浓差极化，避免氢气的析出，使镀层均匀、致密；随着磁场强度的增大，镀层的比饱和磁化强度逐渐增大，而矫顽力呈先增大后减小的趋势，当磁场强度为0.5T时，矫顽力最大。

磁场；电沉积；Co-W合金

0 前言

Co-W合金镀层具有优良的耐蚀性、耐磨性及磁性能等特性，不仅可以作为超高密度垂直磁记录的介质，还可以代替电子设备中的微磁体［1－2］。制备Co-W合金镀层的方法有热熔法、离子镀法、化学镀法和电镀法等，但是传统的制备方法都存在一些缺点（如镀层孔隙率大、表面不够平整、有气孔等）。近年来，人们开始研究在磁场下制备金属合金镀层。在电镀过程中，引入磁场可以有效地改善镀层孔隙率大、表面粗糙等问题。本实验在磁场下电沉积制备Co-W合金镀层，研究了磁场强度对镀层沉积速率、微观形貌、成分以及磁性能等的影响。

1 实验

1.1 镀液组成及工艺条件

CoSO4·7H2O 0.1mol/L，Na2WO4·2H2O 0.05mol/L，（NH4）2C6H6O70.2mol/L，Na2SO40.3 mol/L，NH2CH2COOH 0.2mol/L，NaH2PO2·H2O 0.1mol/L，pH 值 8.0，电压 1.8V，磁场强度 0～1.0T，55～60℃，1 800s。

1.2 实验流程

实验采用双电极体系，阴极为铜片（面积为6cm2），阳极为铂片（面积为15cm2）。实验前阴极用不同型号的金相砂纸逐级打磨至光亮，然后放入丙酮与酒精的混合溶液中进行超声波清洗，待用。用稀H2SO4或NaOH溶液将镀液的pH值调至8.0，按上述镀液组成及工艺条件施镀。

2 结果与讨论

2.1 磁场强度对Co-W镀层沉积速率的影响

图1为磁场强度对Co-W镀层沉积速率的影响。由图1可知：磁场强度对沉积速率有明显影响，随着磁场强度的增大，沉积速率显著提高；当磁场强度为1T时，沉积速率达到60g·m－2·h－1，比无外加磁场时的沉积速率提高了近2倍。在电镀过程中引入磁场，由于磁场垂直于电场，产生宏观的洛伦兹力作用，从而搅拌镀层附近的双电层，消除了浓差极化，提高了化学反应速率［3］。另一个对镀液的传质作用有显著影响的磁化力是磁场梯度力。磁场梯度力和磁场强度的平方成正比，磁场强度越大，镀液的传质速率越快。因此，磁场可以从化学反应速率和镀液的传质速率两方面影响镀层的沉积速率。

图1 磁场强度对沉积速率的影响

图2为在磁场和电场作用下离子的运动轨迹，其中FE为电场力，FL为洛伦兹力。由图2可知：无外加磁场时，离子只受到电场力的作用，方向指向阴极表面，离子以近似于直线的运动轨迹到达阴极表面发生氧化还原反应；施加磁场后，离子除了受到电场力的作用外，还受到洛伦兹力的作用，因此，带电微粒在磁场作用下做螺旋运动，最后从侧向到达阴极表面。阴极附近离子的切向运动使得扩散层变薄，起到搅拌镀液的作用，离子的传质速率加快。

图2 磁场和电场作用下离子的运动轨迹

2.2 磁场强度对Co-W镀层微观形貌的影响

图3为磁场强度对Co-W镀层微观形貌的影响。由图3可知：无外加磁场时，镀层的孔隙率高，气孔较多，这主要是浓差极化使得镀层附近冒出大量氢气所导致的结果；随着磁场强度的增大，镀层的孔隙率降低，气孔逐渐减少；当磁场强度为1T时，镀层平整，孔隙率低，微粒大小均匀。施加磁场之所以能降低镀层的孔隙率，主要是由于洛伦兹力的磁对流效应。

图3 磁场强度对镀层微观形貌的影响

图4为在不同磁场强度下所得镀层的AFM显微图。由图4可知：无外加磁场时，镀层表面呈均匀的“瘤节状”；当磁场强度为0.2T时，镀层表面出现了许多“山状”的微粒，此时钴在磁场力的作用下有垂直于镀层表面生长的趋势；当磁场强度为0.5T时，钴垂直于镀层表面生长的趋势越来越明显，“山状”的微粒越来越多；然而随着磁场强度的继续增大，钴垂直于镀层表面生长的趋势开始减弱，“山状”微粒的尖端被打碎，镀层表面开始趋于平整。随着磁场强度的不断增大，洛伦兹力开始占主导地位。洛伦兹力在阴极表面的边界层中产生冲刷作用，使得阴极表面晶粒的尖端被打碎，抑制其垂直于镀层表面生长，从而大大提高了镀层表面的平整度。当磁场强度达到1T时，“山状”的微粒基本上被洛伦兹力整平，镀层表面呈“瘤节状”。

图4 在不同磁场强度下所得镀层的AFM显微图

2.3 磁场强度对Co-W镀层成分的影响

引入磁场后，磁场梯度力会影响镀液的传质作用，加快化学反应速率。钨是顺磁性金属，其受到的磁场梯度力不明显；而钴是铁磁性金属，其受到的磁场梯度力较明显，磁场梯度力使镀液中的Co2＋远离电极［4］，所以镀液中的Co2＋会比 W6＋提前到达阴极表面发生氧化还原反应，从而使得镀层中钴的质量分数增加。EDS成分分析结果表明：无外加磁场时，镀层中钴的质量分数为65%；随着磁场强度的增大，镀层中钴的质量分数不断增加；当磁场强度为1T时，镀层中钴的质量分数达到93%。

2.4 磁场强度对Co-W镀层磁性能的影响

图5为磁场强度对Co-W镀层磁性能的影响。由图5可知：随着磁场强度的增大，镀层的比饱和磁化强度逐渐增大，而矫顽力呈先增大后减小的趋势，当磁场强度为0.5T时，矫顽力最大，为73 709 A/m。根据磁化理论，材料的比饱和磁化强度与材料的组成有关。钴具有磁性，随着镀层中钴的质量分数的增加，镀层的比饱和磁化强度增大。在磁场作用下，镀层表面的微粒先垂直于镀层表面生长，形成“山状”结构，出现形状各向异性［5］；当磁场强度增大时，洛伦兹力又整平镀层表面“山状”的微粒，使形状各向异性消失。矫顽力与形状各向异性有密切的关系，一般情况下，细长的微粒构成的薄膜材料，其矫顽力较大。因此，随着磁场强度的增大，镀层的矫顽力先增大后减小。

图5 磁场强度对镀层磁性能的影响

3 结论

（1）随着磁场强度的增大，沉积速率显著提高；磁场强度为1T时，沉积速率为60g·m－2·h－1，比无外加磁场时的沉积速率提高了近2倍。

（2）洛伦兹力在阴极表面的边界层中产生冲刷作用，使得阴极表面晶粒的尖端被打碎，从而大大提高了镀层表面的平整度。

（3）在磁场作用下，镀层表面的微粒先垂直于镀层表面生长，形成“山状”结构，出现形状各向异性；当磁场强度增大时，洛伦兹力又整平镀层表面“山状”的微粒，使形状各向异性消失。

（4）随着磁场强度的增大，镀层的比饱和磁化强度逐渐增大，而矫顽力呈先增大后减小的趋势，当磁场强度为0.5T时，矫顽力最大，为73 709A/m。

［1］ 顾培夫.薄膜技术［M］.浙江：浙江大学出版社，1990：22-67.

［2］ 邓联文，江建军，何华辉.磁性薄膜及其复合结构高频特性研究进展［J］.功能材料，2004，35（2）：151-153.

［3］ Koza J A，Uhlemann M，Mickel C，et al.The effect of magnetic field on the electrodeposition of Co-Fe alloys［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2009，321（14）：2 265-2 268.

［4］ Reilly C O，Hinds G，Coey J M D.Effect of a magnetic field on electrodeposition：Chronoamperometry of Ag，Cu，Zn，and Bi［J］.Journal of the Electrochemical Society，2001，148（10）：674-678.

［5］ 廖绍彬.铁磁学［M］.北京：科学出版社，1988.

Preparation of Co-W Alloy Coatings by Electrodeposition in Magnetic Field

YU Yun-dan，SUN Li-xia，LOU Jun-wei，GE Hong-liang，WEI Guo-ying
（College of Materials Science and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

A Co-W alloy coating was prepared by electrodeposition in magnetic field and the effects of magnetic field intensity on the deposition rate，micro-morphology，composition，magnetic properties，etc.of the coating were investigated.The results show that as the magnetic field intensity increases，the deposition rate is significantly improved；Lorentz force can reduce differential concentration polarization of electrode surface and avoid hydrogen releasing，making the coating uniform and compact；along with the increasing of the magnetic field intensity，the specific saturation magnetization of the coating will gradually increase，and the coercive force will increase first and then decrease，when the magnetic field intensity is 0.5T，the coercive force has its maximum value.

magnetic field；electrodeposition；Co-W alloy

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0001-03

浙江省自然科学基金（Y4110290）和国家国际合作项目（2011DFA52400）

2011-06-07