超臨界電化學(xué)沉積技術(shù)的研究進展

雷衛(wèi)寧1,劉維橋1,曲寧松2,王江濤1

(1江蘇技術(shù)師范學(xué)院材料技術(shù)與工程研究所,江蘇常州213001;2南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,南京210016)

摘要:分析了超臨界流體特性及其電化學(xué)沉積新方法,綜述了二氧化碳超臨界電化學(xué)沉積過程中,表面活性劑的特性、二氧化碳的含量以及對溫度、壓力等過程參數(shù)對所形成的超臨界導(dǎo)電乳化液影響的研究進展。闡述開展該項電沉積技術(shù)在制備高性能納米鍍層材料等方面的研究成果,并對今后的發(fā)展方向進行了展望。

關(guān)鍵詞:超臨界流體;二氧化碳;乳化液;電沉積;性能

中圖分類號:TG153.2　　文獻標識碼:A　　文章編號:1001-4381(2010)11-0083-05

電化學(xué)沉積工藝是利用陰極表面電沉積原理來進行金屬表面涂鍍或零部件電鑄成形的工藝技術(shù),在表面工程、高性能納米(復(fù)合)材料制備與成形、精密微細電鑄及微電子等工程領(lǐng)域得到了許多重要的應(yīng)用[1-5]。目前,國內(nèi)外科研人員針對如何提高電沉積鍍層性能開展了深入的研究,如采用脈沖電流沉積、納米顆粒復(fù)合電刷鍍等方法制備低成本、高性能納米鍍層材料,采用攪拌、超聲和溫度梯度等手段來改善微細電沉積中離子傳質(zhì)過程,以解決微細沉積層均勻性與致密度不高等缺陷,并取得了重要進展[6-12]。

超臨界流體(SCF)是密度與液體相近,黏度與氣體接近的特殊物理狀態(tài)。其自擴散系數(shù)為液體的10~100倍,具有極好的流動性和傳遞性能[13,14]。Cagn-iard在1822年首次報道了超臨界現(xiàn)象,Hannry和Hogarth在1879年通過實驗證明了超臨界流體對高沸點固體物具有特有的溶解性能,20世紀80年代起,超臨界流體應(yīng)用技術(shù)得到了快速發(fā)展,在食品與藥物萃取、納米顆粒與多孔材料制備、表面噴涂與清洗等諸多領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用,成為國際上公認的綠色技術(shù),而在超臨界流體技術(shù)中,以二氧化碳作為載體的超臨界流體(簡稱SCF-CO2)其工作溫度為31℃,壓力為7.3MPa左右,且無毒、無害、惰性、便宜,是目前最常用的一種超臨界流體[15-19]。利用SCF-CO2特性,開展基于SCF-CO2的電化學(xué)沉積技術(shù)的研究,是近年來發(fā)展迅速、受到國內(nèi)外研究人員的高度關(guān)注的一個新的研究領(lǐng)域。

1　超臨界流體電化學(xué)沉積機理和實驗裝置

依據(jù)電沉積原理可知,沉積是在電解液中進行的。與其他超臨界流體形成條件相比,盡管基于SCF-CO2的生成條件最適合電沉積,但由于金屬鹽類一般不溶于SCF-CO2,其曾被認為不適合應(yīng)用于金屬鹽的電化學(xué)反應(yīng),該方面的研究一度處于停頓狀態(tài)。近二十年來研究發(fā)現(xiàn)[13,20],通過加入表面活性添加劑,可以使水基電解液和SCF-CO2形成均勻的具有傳導(dǎo)特性的超臨界乳化液,而且工作溫度和壓力適中,這為SCF-CO2在電沉積制造中的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)支持。實驗裝置見圖1[21]。

上述實驗裝置中,高壓泵和恒溫裝置提供SCF-CO2所需的壓力和溫度,磁力攪拌器提供形成超臨界乳化液所需的外部條件,在反應(yīng)器中,可根據(jù)需要,進行金屬表面電化學(xué)沉積和零件微細電鑄成形,沉積完畢后,CO2通過回收裝置,實現(xiàn)綠色循環(huán)利用。

在SCF-CO2電沉積過程中,電解液、表面活性劑和CO2構(gòu)成了SCF-CO2三元體系。電解液的種類和配方由電沉積的金屬所定,三元體系中的表面活性劑種類及加入量、CO2含量以及工作壓力和溫度等過程參數(shù),是電化學(xué)沉積技術(shù)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵因素所在。目前國內(nèi)外主要以鎳為沉積對象,開展這項技術(shù)的工藝研究。

2·表面活性劑種類對超臨界乳化液的影響