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纳米颗粒增强金属的电铸制造装置设计

与本课题有关的国内外研究情况：

电铸最早是在1841年由俄国对石蜡或石膏进行导电化处理后制作工艺品铜电铸的模具而开始的。但在工业上的广泛应用是在1950~1960年左右。早期（19世纪）的电铸是以铜电铸为主。限于在印刷胎版的复制和雕像和浮雕等工艺品的制作。中间阶段（20世纪初）铁的电铸渐渐取代铜成为主流，应用也扩大到橡胶和塑料模具的制作。到后期（20世纪后半期）镍取代铁而成为电铸的主流。电铸所用设备与一般装饰性电镀所用设备基本相同。最简单的电铸是：在一个芯模上电解沉积坚固的金属壳层，然后将壳层去下来，这个金属壳层就是电铸件，其形状和表面粗糙度与芯模相同。

近几十年来，科学技术的不断发展极大的推动了电铸技术的发展，电铸从当初只能制造简单的纯金属零件，发展到现在已能制造大型、复杂的产品和复合结构的产品，甚至是精密器件的产品，并且能电铸出多种合金和复合材料，弥补了传统加工技术的不足，促使了某些具有特殊结构及功能产品的应用。

为了进一步提高电铸层的性能，大量的纳米尺度范围的增强相颗粒出现并不断增加到复合电铸的应用研制中，如纳米Al2O3、纳米金刚石、纳米CeO2等。由于纳米颗粒本身特殊物理和化学特性，在电化学沉积过程中，将纳米颗粒与基体金属通过一定的工艺手段共沉积于复合铸层中，从而来获得比单一铸层或普通复合铸层更高的硬度、耐磨性及其它物化性能，是目前纳米复合电铸的研究目的。一些特殊性能的纳米颗粒，其所具备的物化性能可使得最终沉积的复合铸层附带基体金属所不具备的如磁性、压电以及特殊的光学性能。在国内外，将不同的纳米颗粒成功的在电铸液中分散，并通过共沉积将其埋附于金属基体内部，制备出各种纳米复合铸层，如Ni-SiC， Ni-ZrO2、Ni-C纳米管，镍-金刚石等，从而提高铸层的硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及高温性能等各项材料性能

朱荻、田海燕等人通过对电泳-电沉积Ni-Al2O3纳米复合镀层及其结合强度试验研究，制得的镀层中纳米粒子的体积分数可达55.6%，表面平整光滑，组织致密均匀。

印度的Viswanathan和Dosst提出采用沉降共沉积法进行Ni-SiC复合镀层的制备。传统的电化学沉积条件下，铸层中与其复合并共沉积颗粒的最大体积分数一般为3-5%，而

通过沉降共沉积法，利用颗粒在溶液中重力的作用，有利于提高共沉积颗粒的体积分数。试验结果证明，具备不同性能的材料颗粒，碳化物（SiC、WC和BC等）、氧化物(CeO2和A12O3等)和硫化物MoS2以及金刚石等各种颗粒可以用沉降共沉积法进行电化学沉积试验，并且比传统的电化学沉积中得到的颗粒复合量有所提高。

曲宁松对复合铸层中易产生大团聚纳米颗粒、强磁性纳米颗粒在磁性复合铸层中含量不高等问题进行研究，在沉降共沉积的基础上以 Ni-CeO2和 NiCo-BaFe12O19两种粒子开展研究，在试验中采取外加超声振动或外磁场等措施进行电铸。

本课题研究的主要内容及方法：

制备高性能电铸材料是目前国内外电铸技术研究的热点之一，并且随着纳米材料科学的发展，人们对纳米粒子独特的物化性能的认识不断深化，如何使其得到开发及实际应用正日益成为研究的重点，特别是纳米颗粒在镀液中及镀层中的均匀分散和新的纳米复合电沉积体系的开发等将提上新的研究，纳米颗粒在复合铸层中的共沉积含量，以及纳米颗粒的分散效果，对纳米复合铸层的性能起着决定性的作用，提高纳米粒子在电铸层中的含量以及提高其分散效果一直是纳米复合电铸研究的重点。本课题主要针对以上问题开展研究，提出将高速冲液技术运用于Ni-纳米CeO2复合铸层制备中。

为了解决上述问题使纳米颗粒均匀高效的分散开来，本课题将研究一种新型的高速冲液电铸平台，高速冲液有利于提高试验过程中复合铸液流过阴极表面速度，冲击吸附在阴极表面无法逃离的气泡及复合电解质，改善传统沉降共沉积过程中纳米颗粒大团聚问题，提高电铸层中纳米CeO2颗粒共沉积量，从而获得光亮致密的高性能复合电铸层。

平台包括电铸液循环加热系统、高速冲液系统、过滤系统在内的高速冲液电铸装置，操作简单、分散速度快和无污染，使得纳米氧化铈在电铸层中分布均匀，含量适中，且与电沉积的金属结合紧密，更高地发挥其强化作用。

    本课题将重点研究高速冲液系统，设计出合理可行的结构，来解决纳米颗粒在电铸过程中团聚的问题。

本课题所需要解决的问题：

1、设计的装置如何保证纳米颗粒在镀液中及镀层中均匀分散；

2、如何获得高复合量且颗粒分散性好的纳米复合铸层；

预期结果及其意义：

设计的高速冲液装置性能可靠，能够将纳米颗粒适量且均匀的加入电铸层中，不发生团聚效应且与电沉积的金属结合良好，制备出具有优异性能的纳米颗粒增强复合电铸层。

 

目  录

第一章 绪论 1

1.1电铸的原理 1

1.2电铸技术的工艺过程 2

1.3电铸的发展与应用 2

1.4与本课题有关的国内外研究情况 3

1.5传统纯金属电铸的缺陷 4

1.6课题研究的意义 4

第二章 复合电铸基础 6

2.1引言 6

2.2现有的复合电铸技术 6

第三章 高速冲液电铸装置设计 7

3.1 课题需要解决的问题 7

3.2高速冲液电铸 7

3.3 预期目标和成果 8

3.4高速冲液电铸系统概述 8

3.5电铸装置的整体设计方案 9

3.6高速冲液装置 10

3.6.1高速冲液装置的电铸液流通方式设计 10

3.6.2高速冲液装置的材料选择 10

3.6.3阴极阳极选择 11

3.6.4高速冲液装置的结构设计 11

3.6.5引电方式 16

3.6.6高速冲液装置爆炸图 17

3.7温控系统 17

3.8电源系统 18

3.9电铸液循环系统 19

第四章 电铸实验 20

4.1电铸液的选择 20

4.2纳米CeO2颗粒实验前处理 20

4.3抗拉强度测定 21

4.4抗弯强度测试 21

4.5耐磨性测试 22

4.6盐雾试验 23

第五章 总结与展望 24

致谢 25

参考文献 26

 

摘要：电铸技术在制造零件时不受外力作用，没有摩擦，没有损耗，能够快速制成精度极高的产品，因此应用较为广泛。加入纳米颗粒以提高电铸层性能是目前电铸技术的研究热点。纳米电铸层的性能由加入其中的纳米颗粒的含量，加入其中的纳米颗粒是否分布均匀，以及纳米颗粒与基体金属结合性能决定。本论文针对以上问题，提出创新，将高速冲液技术运用于纳米CeO2复合铸层制备中，以此来提高电铸层的性能。

为了能使电铸层中的纳米颗粒分散均匀，本论文提出一种新型的高速冲液电铸方式，并设计开发了相关的试验平台。在高速冲液电铸过程中，添加有纳米颗粒的复合电铸液以很快的速度流过芯模表面，在冲走副反应生成的氢气的同时，将团聚的纳米颗粒也一并冲散，进而提高复合电铸层中的纳米颗粒含量、分散度及其与基体金属的结合强度，最终获得具有更优异性能的纳米颗粒复合电铸层

设计的实验平台包括电铸液循环加热系统、高速冲液系统、过滤系统。该平台操作容易、纳米颗粒分散速度快并且不会产生污染，可以使得纳米氧化铈在电铸层中分布均匀，含量适中，而且能与电沉积的金属结合紧密，更高地发挥其强化作用。

本课题将重点研究高速冲液系统，设计出合理可行的结构，来解决纳米颗粒在电铸过程中团聚的问题。

关键词：电铸  高速冲液 纳米颗粒 镍 

 

参考文献

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