金属基复合涂层的研究进展

刘小琴，王超囡，曹宏伟，彭成龙，孙初锋

（西北民族大学，甘肃兰州 730030）

随着人类社会的发展，对新材料的需求和使用以惊人的速度增长，同时也带来了无法避免的严重问题，在材料使用过程中因为表面失效而造成的能源浪费问题十分严重。所以如何改善和提高材料的涂层性能越来越受到关注。金属基复合材料具有金属与非金属的综合性能，在韧度、耐磨性、抗腐性、热膨胀、导电性等多种机械物理性能方面比同性材料要优异得多[1]。

1 近期研究进展

1.1 Cu/Co复合镀层

采用电位沉积方法制备Cu/Co多层膜[2]，实验中采用硫酸盐镀铜方法作为电沉积铜的电镀液，不仅电流效率高、成本低，而且其分散能力和深镀能力都比较好。柠檬酸钠的添加，使得镀膜表面愈加平整、均匀。实验结果发现，添加柠檬酸钠沉积镀膜在摩擦过程中有比较浅的磨痕，具有更好的抗磨减摩性能。研究者还发现氯化物和镀液pH值对Co电镀层表面影响显著[3]。郑良福等[4]研究发现，电沉积Co时糖精添加剂的加入不仅能够降低Co镀层中张应力，避免镀层开裂，还能细化晶粒尺寸，使沉积层更加光亮。

1.2 Cu/Ni复合镀层

Haseeb等[5]制备了Cu/Ni纳米多层膜，结果发现，多层膜的摩擦系数和磨损率相比于Ni单层膜更低。Zhang等[6]用电沉积法制备Cu/Ni多层膜，得出了同样的结论。谭俊等[7]利用电刷镀的方法，制备了Cu/Ni多层膜，研究表明,电刷镀的方法制备Cu/Ni多层膜镀层平整、均匀、致密、晶粒细小、界面清晰。多层膜的摩擦磨损性能直接由单层膜厚度决定。

1.3 Ni-Co/相关复合镀层

Kovtun.V.A等[8]利用恒电流沉积的方法成功地制备了Ni-Co/CNTs多层膜。碳纳米管的成功引入，使得复合镀层表面的形貌发生变化，基质金属晶粒细化。复合镀层硬度、弹性、抗磨损性能进一步提高。李成明等[9]在Ni-Co合金镀液中加入约10 nm的人造金刚石，所得Ni-Co-金刚石复合镀层的晶粒尺寸明显细化。在载荷为2 N、摩擦副为GCr15球的条件下进行摩擦磨损试验，测得复合镀层和合金镀层的摩擦因数分别为0.30和0.35左右。摩擦半径为14 mm时，复合镀层和合金镀层的摩擦寿命分别为0.150 km和0.022 km，说明Ni-Co-金刚石形成的复合镀层的抗磨损性能更为显著。Esmailzadeh等[10]在铜表面用两步电沉积法制备Ni膜，结果发现，制备的复合薄膜具有良好的耐腐蚀性能。Tam.J等[11]在铜基底上电沉积Ni-PTFE复合材料，由于Ni-PTFE复合材料的微观结构，即硬纳米晶Ni中嵌入的PTFE颗粒形成的双尺度表面粗糙度，在磨料磨损之后还表现显著的耐磨性能。Iacovetta.D等[12]用单步电沉积工艺成功制备出具有纳米晶粒金属基体的超疏水Ni-PTFE复合涂层，结果显示，镀浴中的PTFE浓度对共沉积有很大影响，使用30 g/L PTFE浓度最佳。Ni基体的透射电镜分析表明，向电镀液中添加糖精对镍的晶粒尺寸没有显著影响。所有生产的复合样品都有一样的纳米晶粒结构，很可能是由于在复合镀液中加入CTAB表面活性剂而造成的。

2 结束语

铜是一种拥有导电、导热和力学性能好等多重优良性能的金属，一直都有很广泛的应用，例如在化工、机械制造和微电子领域都充当了重要的角色[13]。金属基纳米复合涂层中以金属铜作为基底就可以很好地克服铜自身的缺点。目前研究显示，碳纳米管在金属基复合材料的加入，在增强金电学性能方面没有显著优势，或者无法有效兼顾电学性能和力学性能[13]。Yang等[14]在镀液中加入3 g/L单壁碳纳米管，在超声条件下制备出电导率接近于纯铜的Cu-碳纳米管复合材料。Subramaniam等[17]的研究结果表明，在80℃～227℃温度范围内，Cu-碳纳米管复合材料的电导率随温度的变化基本是保持不变的，而纯铜的电导率随温度升高而大幅下降。刘巍等[18]发现，退火处理1 h能显著提高Cu-碳纳米管复合薄膜的均匀性和致密性以及晶粒的结晶程度，从而改善复合薄膜的导电性能，复合薄膜在400℃下退火后的导电性最好，这为后来的研究者们提供了很好的思路。