Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的电沉积及其耐蚀性研究

卜路霞，石 军，朱华玲，尉 震

(天津农学院基础科学系，天津 300384)

Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的电沉积及其耐蚀性研究

卜路霞，石 军，朱华玲，尉 震

(天津农学院基础科学系，天津 300384)

采用控电流电沉积技术以铜为基体制备了Ni-SiO2纳米微粒复合镀层。通过改变镀液中SiO2纳米微粒的质量浓度，考察了其对镀层中SiO2微粒的质量分数、电沉积速率及镀层耐蚀性能的影响，对纯镍镀层与Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的耐蚀性进行了比较。研究了阴极电流密度对复合镀层耐蚀性能的影响，并采用扫描电子显微镜对镀层形貌进行了分析。结果表明，通过改变ρ(SiO2)，可以调节Ni-SiO2复合镀层的组成、电沉积速率和耐蚀性能。当ρ(SiO2)为10～15g/L且电流密度为1A/dm2时，复合镀层具有较好的耐蚀性能。相对于纯镍镀层，Ni-SiO2纳米微粒复合镀层具有更好的耐蚀性，其表面更致密、平整。

Ni-SiO2纳米微粒复合镀层;电沉积;耐蚀性;制备

引 言

近年来，相对于纯镍镀层，采用复合电镀技术制备的镍及镍合金基纳米微粒复合镀层，由于具有更加优异的性能，而受到了普遍关注［1-4］。但目前的研究大多集中在镀层制备工艺及镀层性能表征等方面，而对纳米微粒的加入对电沉积过程的影响研究却相对较少。事实上，纳米微粒的加入与镀层的沉积速率、耐蚀性等有着非常密切的关系［5-7］。深入研究纳米微粒的加入与复合镀层之间的关系，对制备高性能的复合镀层，具有重要意义。本文采用控电流方法在铜基体上电沉积制备了Ni-SiO2纳米微粒复合镀层，考察了镀液中SiO2纳米微粒的加入对镀层电沉积速率、耐蚀性的影响，对Ni-SiO2纳米微粒复合镀层与纯镍镀层的耐蚀性能进行了比较，研究了电流密度对镀层耐蚀性的影响，对复合镀层形貌进行了分析。

1 实验

1.1 Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的制备

以镍板作为阳极，采用机械搅拌方式进行Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的制备。SiO2纳米粉的颗粒粒径为60nm。

采用经细砂纸打磨光亮后的黄铜片为阴极基片，电镀前采用10%的稀硫酸除氧化膜后使用。预处理流程:阴极电解除油→一次水洗→强浸蚀→二次水洗→弱浸蚀→三次水洗→吹干备用。

镀液配制时，首先将一定量的SiO2纳米微粒用少量水润湿，加入适量的分散剂B(以阻止SiO2纳米微粒在镀液中的团聚)，用超声波搅拌20min，然后加入按一定组成配好的镀液，调节溶液的pH，再用超声波充分搅拌1h，使SiO2纳米微粒在镀液中充分分散，备用。

在瓦特型镀镍液基础上对镀液组成进行调整，并加入SiO2纳米微粒，通过实验确定镀液中成分及操作条件如下:

1.2 Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的表征

采用英国PHILIPS公司的XL30ESEM TMP型环境扫描电子显微镜(ESEM)及所带能谱仪对复合镀层的微观形貌及组成进行测定。通过测定镀层中Ni、Si元素的摩尔分数，根据分子式再计算出SiO2纳米颗粒在复合镀层中的质量分数。采用光学显微镜测试镀层的厚度，从而计算出电沉积速率。采用质量损失法测定镀层的耐蚀性。室温下，将Ni-SiO2纳米微粒复合镀层放入3.5%NaCl溶液中，静态浸泡24h，同样条件下，取3个样品在溶液中静态浸泡的腐蚀数据计算出平均腐蚀速率。

2 结果与讨论

2.1 镀液中ρ(SiO2)对镀层w(SiO2)的影响

根据1.1所述的电镀条件，只改变ρ(SiO2)，保持电镀时间相同，考察了ρ(SiO2)与Ni-SiO2复合镀层中w(SiO2)之间的关系，如图1所示。

图1 ρ(SiO2)对镀层中w(SiO2)的影响

可以看出，当 ρ(SiO2)增加时，Ni-SiO2复合镀层中w(SiO2)先增加，随后又降低。当ρ(SiO2)为2g/L 时，w(SiO2)为 0.41%;当 ρ(SiO2)由 5g/L 增加到10g/L时，w(SiO2)由 0.83%逐渐增加到1.69%;当 ρ(SiO2)进一步增加到15g/L 时，w(SiO2)由1.69%增加到1.71%，可见，随着ρ(SiO2)的进一步增加，w(SiO2)基本不变;但当ρ(SiO2)增加到20g/L时，w(SiO2)反而下降到1.64%。其原因可能是ρ(SiO2)越大，其悬浮量也大大增加，单位时间内通过搅拌作用将微粒输送到阴极表面的数量也越多，吸附在阴极表面的数目也相应增多，微粒进入镀层的几率也就越大，从而镀层中SiO2微粒的复合量增加。但当ρ(SiO2)增加到一定值后，纳米微粒团聚现象会随质量浓度的增大逐渐严重，在一定程度上会阻止SiO2微粒与金属的共沉积，从而导致了w(SiO2)随着ρ(SiO2)的增加反而下降。

2.2 ρ(SiO2)对电沉积速率的影响

在其它条件相同的条件下，考察了ρ(SiO2)变化对复合镀层电沉积速率的影响，如图2所示。可以看出，当ρ(SiO2)增加时，沉积速率先逐渐增加，随后又逐渐降低。当ρ(SiO2)为10g/L时，镀层沉积速率最大。

图2 ρ(SiO2)对电沉积速率的影响

2.3 ρ(SiO2)对镀层耐蚀性能的影响

Ni-SiO2复合镀层在3.5%NaCl中的浸泡耐蚀试验结果如表1所示。可以看出，当 ρ(SiO2)为10g/L时，腐蚀速率最低，为 0.472g/(m2·h);当ρ(SiO2)由10g/L增加到 15g/L时，腐蚀速率为0.524g/(m2·h)，变化不大。而相同试验条件下，纯镍镀层的腐蚀速率为 1.683g/(m2·h)，表明Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的耐蚀性能显著优于纯镍镀层。另外，可以确定ρ(SiO2)的适宜的工艺范围为10～15g/L，其最佳值为10g/L。

2.4 阴极电流密度对镀层耐蚀性能的影响

保持其它条件不变，只改变阴极电流密度进行电沉积，考察了电流密度对Ni-SiO2复合镀层耐蚀性的影响，其结果如表2所示。

可以看出，当阴极电流密度增加时，镀层腐蚀速率逐渐降低，表明其耐蚀性能逐渐增强，但当Jκ高于1A/dm2时，镀层腐蚀速率逐渐增加，其耐蚀性能显著下降。原因可能是当阴极电流密度较小时，过电位较低，形成的镀层的孔隙率比较高，镀层的耐蚀性能较低。当阴极电流密度增加时，过电位也逐步增加，电沉积速率加快，晶粒细化，镀层比较致密，因此，镀层的耐蚀性增强。但当阴极电流密度太高时，电沉积速率过快，所得镀层比较疏松，致密度差，因此导致镀层的耐蚀性又降低。

表2 电流密度对镀层耐蚀性能的影响

2.5 Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的形貌

图3为在相同条件下，镀液中添加SiO2纳米微粒与不添加纳米微粒情况下，电镀纯镍镀层与Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的ESEM照片。可以看出，镀液中添加纳米微粒后，所得镀层表面更加致密、光滑，SiO2纳米微粒均匀地分散在复合镀层中，从而增加了镀层的耐蚀性能。

图3 镀层的表面形貌

3 结论

1)通过改变 ρ(SiO2)，可以调整复合镀层中w(SiO2)，从而影响复合镀层的电沉积速率和耐蚀性能。相对于纯镍镀层，Ni-SiO2纳米微粒复合镀层具有更优良的耐蚀性能。ρ(SiO2)的适宜的工艺范围为10～15g/L，其最佳值为10g/L。

2)阴极电流密度是影响复合镀层耐蚀性能的重要因素。电流密度为1A/dm2时，复合镀层的耐蚀性能最好。

3)Ni-SiO2纳米微粒复合镀层的表面更光滑、致密，从而使得耐蚀性显著提高。

［1］彭元芳，曾振欧，赵国鹏.电沉积纳米复合镀层的研究现状［J］.电镀与涂饰，2002，21(6):17-20.

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［5］Karthikeyan S，Srinivasan K N，Vasudevan T，et al.Studies on electroless Ni-P-Cr2O3and Ni-P-SiO2composite coatings［J］.Electroplating ＆ Finishing，2007，26(1):1-6.

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Electrodeposition and Corrosion Resistance of Ni-SiO2Nano-particles Composite Coating

BU Lu-xia，SHI Jun，ZHU Hua-ling，WEI Zhen
(Department of Basic Science，Tianjin Agricultural University，Tianjin 300384，China)

Ni-nano SiO2composite coating was prepared on copper substrate by electrodeposition with constant current.Effects of nano SiO2particle concentration in electrolyte on the content of nano SiO2in the coating，electrodeposition rate and corrosion resistance of the coating were investigated by changing nano SiO2concentration in the electrolyte.Also，corrosion resistance of Ni-nano SiO2composite coating was compared with that of pure Ni coating;effect of cathodic current density on corrosion resistance of the coating was studied and coating morphology was characterized by ESEM.Results indicated that coating composition，electrodeposition rate and corrosion resistance of the coating could be adjusted by changing nano SiO2concentration in electrolyte.When nano SiO2concentration in electrolyte was 10～15 g/L and cathodic current density was 1 A/dm2，corrosion resistance of the coating was preferable.Compared with pure Ni coating，Ni-nano SiO2composite coating had better corrosion resistance and more compact，smoother surface.

Ni-nano SiO2composite coating;electrodeposition;corrosion resistance;preparation

TQ153.2

A

1001-3849(2011)06-0013-03

2010-08-31

2011-03-10