金属基纳米复合材料不同复合镀层研究综述

曹宏伟，刘小琴，王超囡，彭成龙，孙初锋

(西北民族大学，甘肃 兰州　730030)

1　引言

近年来，科技进步对材料的性能提出了各种各样的新的更高的要求。单一的金属材料已无法满足各种需要，而以一种金属为基体，通过电沉积或化学镀的方法使金属与颗粒共沉积获得的复合镀层，因具有与材料相关的不同特性，包括耐腐蚀性、减摩性、耐高温等同时具有其中几种功能而倍受人们关注。我国复合镀研究起步较晚，但在通过不断地研究下，在近十多年中取得很大成绩，各种性能优异的复合镀层相继应用开来。下面对不同性能镀层种类及应用作一些综述。

2　几类不同性能的复合镀层

2.1　纳米复合镀层

2.1.1耐磨复合镀层

通常材料的硬度与镀层的耐磨性正相关。将铬、铜、镍等基质金属与硬度较高的SiC、SiO2、Al2O3、ZrO2、WC、TiC等硬质颗粒形成各种复合镀层[1-8]，这些颗粒可以细化金属颗粒，提高其机械性能，使复合镀层的结合强度和耐摩性大大提高，有着广泛的应用前景。

在Garcia[9]等考察电沉积Ni-SiC的耐磨性能，他们发现复合镀层的耐磨性依赖于SiC颗粒的体积分数，当体积分数达到4%～5% 时镀层具有最好的抗磨性，而且SiC的粒径越小其抗磨性越好。这主要得益于共沉积颗粒的弥散增韧效应和脱落颗粒在滑动过程中的抗磨性。

2.1.2减摩复合镀层

在镀液中加入具有低硬度、润滑性好的颗粒，如PTFE、石墨等，与铜、铝等基质金属共沉积来获得减摩复合镀层。减摩复合镀层因其摩擦系数较低，在轴承、气缸、齿轮等方面有着广泛应用。

在化学镀镍磷合金溶液中加人具有自润滑性的氟化石墨和特殊分散剂，吴以南等获得了Ni-P-氟化石墨复合镀层，该镀层具有很好的脱模性。姜晓霞[10]等用正交试验研究得出，在瓦特浴中电镀Ni-P/石墨减摩镀层，实验表明该镀层兼具润滑和耐磨性能。

2.1.3耐腐蚀复合镀层

通过添加具有某些特性的颗粒以及复合后材料的结构改变都会影响复合镀层的耐腐蚀性能。

Benea[11]等人研究了Ni-SiC纳米复合镀层，测得该复合镀层的腐蚀电位为-198mV(vsAg/AgCl)比镍的腐蚀电位-260mV(vsAg/AgCl)正移了62mV，主要原因可能是在纳米复合镀层表面的SiO2或Si(OH)2保护了镀层，从而提高了其抗腐蚀性能。

为了考察以Ni-P为基质的不同分散微粒对镀层性能的影响，李淑苓[12]等对几种复合镀层的耐蚀性进行了测定得出：在腐蚀500h之前样品基本完好没有变化，复合镀层保持良好。大于960h 时，加人SiC的复合镀层耐腐蚀性优于TiO2的镀层，有非晶结构Ni-P合金镀层耐酸、碱性好。

2.1.4耐高温复合镀层

当耐高温这一性能需求出现时，陶瓷颗粒具有耐高温、抗高温氧化就被广泛关注。将陶瓷颗粒应用在耐高温复合镀层中能有效提高镀层的抗高温性能，如在Ni-W-B非晶态复合镀层中加入纳米ZrO2，复合镀层在550～580 ℃ 的抗高温氧化性能明显提高。

彭晓[13]等人制备了Ni-La2O3纳米复合镀层，结果证明镍基复合镀层的晶粒明显细化，同时其抗高温循环氧化性能显著提高。对Ni-SiC纳米复合体系来说，该镀层的耐高温氧化性能与镀层中SiC的复合量及镀层的孔隙率有关，复合量小孔隙率低，镀层的耐高温性强。

这是因为少量的纳米颗粒弥散分布在镀层中，一方面能减小镀层孔隙率，从而阻碍氧在镀层中的扩散，既降低了镀层本身的氧化速度，也会使氧与基体的接触几率減小。

另一方面，大量SiC的引入很容易使镀层的内部缺陷増多、孔隙率增大,尤其是SiC与Ni之间的热膨胀系数相差较大，在加热氧化过程中，容易使颗粒与基体之间产生裂纹等热应力缺陷，氧通过孔隙、裂纹等缺陷在镀层中的扩散速度増加，从而使镀层的抗氧化能力下降[14]。

2.2　具有电接触功能的复合镀层

电接触功能镀层特点是良好的导电性、耐蚀性、耐磨性、低接触电阻性。大多以Au,Ag为基底，分散微粒有WC、SiC、MOS2、La2O3等。资料表明[15]：Au-MoS2复合镀层可作为新型的自润滑电接触材料，它具有较低的接触电阻、适中的硬度、低摩擦系数及优良的耐腐蚀性，因而有良好的电接触性。

唐致远[15]采用如下工艺：KAu(CN)212g/L，C6H8O7·H2O 60g/L K3C6H5O7·H2O 80g/L, TGN 1-5 g/L，复合镀液1～3 g/L Dk 0.1～0.5 A/dm2，pH 4.0～4.5，室温，不锈钢板为阳极，采用机械搅拌，获得了结晶细小、致密、均匀、光亮，金属复合材料耐磨性好和导电性优良。

2.3　其他复合镀层

复合镀层大多有复合性能,因此在很多方面也被广泛的研究、应用。半导体CdS或TiO2与金属镍形成的复合镀层,在光的作用下可以获得电压和电流的响应, 具有光电转化效应；将TiO2复合到镀层中制备的Ni-P-TiO2[17]和Ni-TiO2[18]复合镀层具有较强的催化活性, 可以有效的处理污水、净化杀菌；Deguchi[19]等研究发现, Zn-TiO2对乙醇、 乙醛的氧化具有光催化作用，经过673K热处理6h后, 在镀层的表面生成的Zn0-TiO2纳米层比Zn-TiO2具有更高的光催化性能；作为装饰性复合镀层比较典型的是缎状镍复合镀层。在镀镍溶液中加人Al2O3,BaSO4，TiO2等微粒，与镍共沉积可获得具有柔和光泽的镀层[20]，有资料已给出其工艺条件。

有关分散强化的合金镀层主要有Ni-Al2O3,Ni-ZrO2，Ni-SiO2，Cr-SiO2等，这种合金镀层机械性能极大地满足人们的需要。李国俊〗采用电沉积法来制取的α-Al2O3/Cu复合材料的机械性能及相关的工艺参数进行了较深入研究。结果表明:a-Al2O3可以使材料硬度明显地提高，当α-Al2O3含量达20% vol 时，电导率可达70% IACS以上。而复合材料的强度随Al2O3成分的增加而出现峰值，同时也观察到，掺入的微粒越细，强度越高。通过研究，为获得高体积分数的Al2O3增强铜基复合材料提供了较为可靠的理论和实验依据。

3　结论和前景

通过加入纳米颗粒可以提高复合镀层的相关性能，因此纳米材料在复合镀层中的应用具有很好的发展前景。但我国相关的研究刚刚起步，很多关键问题仍未得到很好的解决办法，因此有关纳米材料的复合镀层的研究还在继续，可以说是充满了机遇与挑战。相信随着技术的不断发展和研究人员的不懈努力，金属基纳米复合材料必将在各个领域得到广泛发展和应用。