金屬基復(fù)合材料具有制備溫度低、設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低廉、表面性能佳、產(chǎn)品多樣等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、船舶、石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。復(fù)合電鑄是制備這類材料的有效方法之一。復(fù)合電鑄以金屬電沉積為基礎(chǔ)，在金屬或合金電解液中添加一種或數(shù)種不溶性的固體顆粒，使其與基質(zhì)金屬或合金共沉積，從而獲得具有某種特殊功能或形狀的金屬零部件。
近10年來(lái)，電鑄界的國(guó)內(nèi)外學(xué)者們采用超聲波攪拌、脈沖電流、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)方法，開展對(duì)Ni-A12O3、Ni-金剛石、Ni-CeO2、Ni—SiC、Ni—ZrO2、Ni—La2O3，Ni-TiN、Ni-AlN、Ni-PbO2等復(fù)合電鑄技術(shù)的研究，進(jìn)一步驗(yàn)證金屬鎳離子與強(qiáng)化顆?？晒渤练e形成鎳基復(fù)合電鑄層。
超臨界流體(super critical fluid，SCF)是指溫度和壓力處于臨界溫度及臨界壓力以上的流體，其理化性質(zhì)介于氣體和液體之間。利用SCF- CO2的獨(dú)特性質(zhì)，與電沉積技術(shù)有機(jī)結(jié)合，制備微納米金屬沉積層，是電沉積技術(shù)一個(gè)新的研究方向。SCF- CO2電沉積具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)體系乳化液具有極佳的分散、整平能力，可有效改善電沉積層的表面均勻性： (2) SCF- CO2具有良好的混溶性，使得電鑄過(guò)程產(chǎn)生的H2快速溶解在SCF- CO2流體中，抑制電鑄層表面氣孔、麻點(diǎn)等缺陷產(chǎn)生；(3) SCF- CO2具有極好的傳輸性能，有利于金屬離子傳質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高速電沉積。針對(duì)SCF- CO2電沉積技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SCF- CO2金屬鎳電鑄層的溶液特性、內(nèi)應(yīng)力、離子傳輸、參數(shù)影響、表面性能等開展了一系列的研究，獲得了較為成熟的制備工藝。而有關(guān)SCF- CO2復(fù)合電鑄技術(shù)的研究，目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道還很少涉及。
實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)材料：陽(yáng)極材料為25mm×30mm×2mm的電解鎳板，陰極為20mm×25mm×1mm的紫銅板，兩極間距離為20mm。
復(fù)合電解液成分由兩部分組成。第一部分為基本組分：NiSO4·7H2O 300g/L，NiCl2·6 H2O 60 g/L， H3BO4 35～40 g/L， C4H6O2 0.3～0.4 g/L，光亮劑C7H5 O 3NS 2.5～3 g/L，添加劑(C2H4O)nC12H26O 1.2～3 g/L。所用試劑均為分析純。其中添加劑為非離子類表面活性劑，CAS為60828-78-6，HLB為14.1。第二部分為復(fù)合成分：N1是顆粒直徑為(30±5)nm的A1203顆粒粉30～80 g/L：N2是顆粒粒徑為0.1～1μm的金剛石顆粒粉40～100 g/L。
分散前處理：由于微米金剛石粉和納米A12O3顆粒在去離子水中很容易團(tuán)聚而沉淀下來(lái)，很難均勻分散于去離子水中，電鑄前需采用分散劑將其置于KQ-300VDB三頻超聲波清洗器中，同時(shí)配合EMS-12潛水磁力攪拌器對(duì)其進(jìn)行預(yù)分散處理30～60min，待其分散均勻后倒入基本組分溶液中。其中分散劑為烷基聚氧乙醚類。
復(fù)合電鑄工藝條件：壓力10～20MPa，溫度40～50℃，電流密度40～90mA/cm2，攪拌速度200～300r/min， pH=4～6，電鑄時(shí)間60min。
結(jié)論
1) SCF- CO2環(huán)境下制備的Ni-A12O3復(fù)合電鑄層表面光亮、平整，納米A12O3顆粒的分散效果好；隨著A12O3顆粒添加量的增加，N1顯微硬度先逐漸上升后快速下降，在A12O3顆粒添加量為60g/L，壓力為14MPa時(shí)，顯微硬度達(dá)到最大，為11.4 GPa，是大氣環(huán)境下Ni-A12O3復(fù)合電鑄層(4.5GPa)的2倍多；且N1中A12O3顆粒復(fù)合量最大(9.9％)。
2) SCF-CO2環(huán)境下制備的Ni-金剛石復(fù)合電鑄層表面有微米級(jí)的黑色金剛石顆粒、微觀組織呈胞狀均勻分布。隨著金剛石顆粒添加量的增加，N2的顯微硬度呈現(xiàn)先快速上升后逐漸下降的趨勢(shì)，在金剛石顆粒添加量為60g/L、壓力為10MPa時(shí)，N2顯微硬度最大，為9.1GPa，當(dāng)壓力高于14 MPa后，N2顯微硬度快速下降。與大氣環(huán)境下制備的Ni-金剛石復(fù)合電鑄層顯微硬度(3.5GPa)相比，N2的顯微硬度有大幅度的提高。