应用化学外文文献翻译

1、毕业设计（论文）译文题目名称：枪色电镀工艺的研究院系名称：材料与化工学院班 级：应用化学072一种新型的粒径尺寸呈梯度分布的电解沉积的纳米结构镍镀层liyuan qin, jiying xu, jianshe lian *, zhonghao jiang, qing jiangkey lab of automobile materials, ministry of education, college of materials science and engineering, jilin university, nanling campus, changchun, 130025, china摘

2、要在直流电解沉积中，随着粒度细化剂糖精的浓度逐渐增加，薄钢板作为沉积基底得到具有纳米结构的镍镀层，其颗粒尺寸呈梯度分布。x-射线衍射分析表明随着糖精含量增加，沉积的优先方位从200晶面变成111晶面。 透射电镜照片可以看到粒径由表面层的22nm变到镀层和基底的界面附近的586nm。nacl溶液中的电化学性能测试、硬度和弯曲测试结果表明在同一基底上粒径呈梯度分布的镀层比粒径均匀的镀层有更高的硬度、更好的抗腐蚀性能且与基底有更强的结合力。1引言由于纳米结构材料与常见的大尺寸颗粒材料相比，具有独特的化学与机械性能，因此其研究是科学与工业团体的焦点1-4。这些材料大部分被用来作为工程基地的表面涂层。在

3、包含热学表面耐磨与耐腐蚀性能以及电子学应用中，由于表面涂层与基底间性质的差异而导致压力集中而造成界面处的结合不佳。解决这个问题的一个可能办法是采用斜晶材料，一种可以延长材料使用寿命的材料5-7。斜晶型材料可以提供一种改进材料性质的方法，因为他的性质会依据合成物而改变，结构也会由内到外的发生改变。 所以满足更高要求的关键是用一种简单方法制造一种理想的材料。电沉积技术是一种有用而通用的制造纳米金属的方法8-9。一些纳米金属例如镍3,10，铜4,11，钴2等以经被制造出来了而且被用于研究微结构金属的力学性能和变形机理。此外，不同的粒径可以通过向电解液中加入不同量的颗粒提纯剂如糖精，柠檬酸钠来获得12

4、。早期研究表明：微结构金属的机械性能，热稳定性，摩擦性能，耐腐蚀性等受粒径与成分的影响非常大4,7,13-14。然而，并没有报道说制造纳米结构金属时通过在电沉积过程中向电解液中加入不同浓度的糖精可以使粒径由常见晶型向纳米晶型转变。 在我们的前期工作中，通过在直流电镀的电解液中加入2-丁炔基-1,4-二醇（作为结晶剂）而制造出一种层状纳米镍15。这种层状纳米镍由细微的纳米尺寸颗粒交替层状物构成。因此这种材料的强度和延展性处于微晶粒镍和纳米镍之间，在目前的研究中，一个粒径呈梯度分布的纳米镍镀层是为了使基底获得一个具有高表面硬度，良好的内部延展性，良好的结合性能以及更好的耐腐蚀性能的保护层。其通过在

5、直流电镀电镀液中调节细晶剂的含量来获得显微结构（投射电子显微镜和x射线衍射观察），硬度，耐腐蚀性，结合能力与粒径均匀的纳米镍镀层对此比而得到研究。2实验步骤 2.1基底材料的准备 基底材料采用的是薄钢板（c1008,aisi），所有的基底都用粒度为2000的sic砂纸打磨以获得均匀的表面。打磨后。基底用三氯乙烯洗涤除去表面泥污或油脂并用去离子水漂洗，然后基底用甲苯和丙酮在超声波中除油5分钟。早0.1mol/l的hcl溶液中酸洗1分钟后在流动的水中彻底冲洗，最后用去离子水漂洗除去所有的洗涤液，在用去离子水漂洗后，钢基底放入电镀液中来进行电镀镍镀层。 2.2粒径呈梯度分布的镍镀层的制备 镀在钢基底

6、上的纳米镀层是在改进后的瓦特液中用直流电电镀的。改进的瓦特液由niso4,nicl2,nacl，h3bo4构成，工作ph为5.0，温度为50，直流电流密度为2a/dm2.粒径呈梯度分布的纳米镍镀层的沉积条件与纳米镍镀层的电镀条件相同。除了间歇的向电镀液中加入细晶剂。首先，加入0.15g/l的作为细晶剂的糖精，然后每19min向电镀液中加入一定量的糖精以保证电镀液中的糖精含量分别为0.3g/l，0.45g/l,0.55g/l,0.65g/l,0.75g/l,0.85g/l,0.95g/l，在电镀152min之后，粒径呈梯度分布的纳米镍镀层的厚度大约为50m。另一以镀层厚度达到300m的粒径呈梯度

7、分布的纳米镍镀层可以通过没120min补加糖精的方法制得。在这个过程中可以通过使用紫外-可见分光光度计（725pc）来检查镀液中糖精的浓度。阳极是纯镍片。为了对比，分别在糖精含量为0.95g/l（与粒径梯度分布纳米镍镀层表面层镀层糖精浓度相同）镀出了50m和300m厚的粒径均匀的纳米镍镀层。 2.3镀层特性（表征） 分别使用cu-k x射线衍射仪（xrd，rigakudymax，japan）和50kv，300ma，扫描速率和梯度分布分别为4/min和0.02的单色仪来研究结晶结构。扫描范围从30到110。为了进行x射线衍射，几个样品与300m厚的粒径梯度分布的纳米镍镀层一起放入电镀液中，这些样

8、品以与糖精浓度相应的按一定顺序以不同的时间间隔从电镀液中取出。使用扫描电子显微镜来观察镀层的表面和截断面形态。样品在扫描电子显微镜扫描观察前使用10%硝酸/酒精容液浸蚀40min，靠近基底的内层镀层通过上述的与镀内层时糖精浓度一致时的镀片样品来观察。典型的内层梯度层使用扫描电子透镜（tem，h-800）来观察期围观结构。不同糖精浓度下的梯度层可以通过打磨300m镀层的其它部分来来展露出来。 微粒呈梯度分布的纳米镍的硬度可以用带维氏硬度计压头的hxd-1000维氏显微硬度计在200g负载下保持15秒来测试。镀层在相应的糖精浓度下的梯度层可以通过有顺序的磨去300m厚镀层的上一层来显露出来。在镀层

9、表面5个不同的地方测试，测试值取平均值。 使用电化学工作站（lanlike,tianjin，china）的电化学测试技术来测定镀层的耐腐蚀性和可能的惰性。使用机器来裁制2cm2cm的50m厚镀层样品，在室温下以3%nacl水溶液为电解液，pt电极为对电极，ag/agcl电极为参比电极，在三电极电解池中进行线性伏安扫描。工作电极和样品在电化学测定前，在丙酮中用超声波洗净，在去离子水中漂洗。然后镀层样品用涂漆遮盖，留出1cm2暴露在电解液中，在进行电化学测试之前，镀片放入电解液中静置10min以获得稳定的开路电位。每次测试扫描速率为50mv/min。腐蚀电流密度可以由阴极和阳极的极化曲线与阴极阳极

10、塔菲尔曲线的交点算出。 由于界面脱落会造成镀层而使镀层失去作用，镀层与基底间的结合力尤为重要。使用mts-810系统在室温下以一个低的弯曲速率做三点弯曲试验来对粒度梯度分布的纳米镍镀层和粒度均匀的纳米镍镀层的机械性能进行测试，样品的尺寸为8cm1.0cm镀层厚度为300m以减少基底的影响。两个支撑点的间距为5.5cm。3结果与讨论 3.1镀层的微观结构与形态 不同糖精浓度所对应的四个典型的梯度层的x-射线图在图1中给出。可以看到所有的样品都清晰地显示出了镍的衍射峰，其可以用fcc指示出来。此外，还可以看出优先沉积晶面随着糖精浓度的变化而变化。当糖精浓度增加时，（200）晶面得衍射强度降低而（1

11、11）晶面得衍射强度增加且变成主要峰。这种优先晶面的改变有可能是由不同增长位面的表面能引起的16。而不同的表面能却是由 在电镀过程中向电镀液中加入的糖精引起的。衍射峰保持恒定表示晶格参数并未随着糖精浓度的增加而改变。然而，却可以观察到衍射峰的变宽，这可以归结于晶格缺陷，例如由于小粒径和微张力而造成的颗粒边界的增长17。图1 糖精浓度为（a）0.3g/l、（b）0.45g/l、（c）0.65g/l、（d）0.95g/l的典型的梯度层的xrd图（fig. 1. the xrd patterns of representative gradient layers with saccharin con

12、centrations:(a) 0.3 g/l, (b) 0.45 g/l, (c) 0.65 g/l, (d) 0.95 g/l.） 厚度为300m的粒径梯度分布的纳米镀层的截面微观结构在图2中给出。对于300m厚的镀层，粒径梯度分布的镀层的微观结构可以由图2（b）中的横断面低倍放大图显示。图（c）分别是表层镀层的微观结构和靠近基底的内层镀层的微观结构图片。宏观上，外表镀层在形态上呈现出平坦且光亮的外表18。外表镀层的晶体结构非常好，致密且在图片上无法看到。然而，内层靠近基底上的内层晶体由粗糙的晶体结构构成。他的结构与基底相类似且可以清楚地看到。图2（c）和图2（d）是糖精浓度为0.95 g

13、/l的颗粒均匀的镀层的截面和表面形态。镀层厚度为50m。图2（e）中显示的纳米晶体结构的表面形态与图2（b）中所显示的几乎一样，它的表面细节不可能从图片上看出。它的横断面形态从外层到内层均是致密，均匀的且其横断面的微观结构即使在高倍放大下也没有什么不同（图2（f）。从图2（a）中可以看到一个非常有趣的现象：梯度沉积物与基底呈现出良好的结合，并没有明显的界面。这是由于靠近基底的梯度层的粗糙晶体结构造成的。而对于粒径均匀的镀层（图2（d）和（f）在界面的两侧 在微结构上却迥然不同,而造成了明显的界面。图2 gsg镍镀层的截面图（a）、相应的表面镀层形态图（b）、靠近基底的内层镀层形态图（c）、粒径

14、均匀的纳米镍镀层（糖精浓度为0.95g/l）的截面图（d）、其相应的表层镀层形态图（e）及截面的高倍放大图（f）（fig. 2. the cross-section morphology of gsg ns ni coating (a), its corresponding outer surface morphology (b) and inner surface morphology near the substrate (c); the cross-sectionmorphology of uniform grain size ns ni coating (saccharin conce

15、ntration of 0.95 g/l) (d), its corresponding surface morphology (e) and high-magnification cross-section image (f).） 采用透射电子显微镜直接观察来检查典型梯度层晶体尺寸和结构。图3（a）（b）（c）（d）显示了四种不同糖精浓度下典型的梯度层的透射电子显微镜图。测量的平均粒径大约为586nm，393nm，93nm和22nm，也就是说随着电镀液糖精浓度的升高颗粒尺寸降低12,19-20。粒径的变化包括了上述x-射线衍射的衍射峰变宽。3.2镀层的微硬度 不同糖精浓度下梯度层的微硬度显示

16、在图4中。硬度值从靠近基底的内层的1.9gpa增加到外表层镀层的6.0gpa。这归结于随着糖精浓度的增加，颗粒尺寸从微米级或几百纳米降到22nm。图4表示硬度对颗粒半径的平方根的倒数作图。这可以看作为hall-detch关系式（hv（gpa）=2.21+19.2d1/2）其精确值达到20-30nm。有报道说粒径为10-25nm的纳米镍硬度为4.9gpa-6.37gpa。现在研究的结果支持了这个观点。图3 糖精浓度为（a）0.3g/l、（b）0.45g/l、（c）0.65g/l、（d）0.95g/l的典型的梯度层的tem图（fig. 3. tem images of representative

17、 gradient layers of gsg ni coating with saccharin concentrations: (a) 0.3 g/l, (b) 0.45 g/l, (c) 0.65 g/l, (d) 0.95 g/l.）图4 gsg纳米镍镀层的微硬度在厚度方向上的变化图 插图表示硬度与粒径平方根的关系图（fig. 4. microhardness change of gsg ns ni coating in the thickness direction of deposit.the inset shows the hardness dependence on recip

18、rocal square root of grain size.）3.3镀层的耐腐蚀性能 图5是在室温下以3%nacl溶液为电解液的基底（a）、粒径均匀的纳米镍镀层（b）、粒径呈梯度分布的纳米镍镀层（c）的塔菲尔曲线。为了对比，粒径均匀的纳米镍镀层与粒径层梯度分布的纳米镍有相同的厚度（约为50m）。从塔菲尔曲线上得到的样品的腐蚀电位和腐蚀电流密度列在表1中。从图5中可以看出，在极化曲线中阴极反应与氢的演变一致。阳极极化曲线是关系到镀层耐腐蚀性的最重要特征21-22。尽管从图上观察的基底的阳极平衡电流与粒径均匀的纳米镍镀层和粒径呈梯度分布的纳米镍镀层相似，但铁（-0.44v）和镍（-0.25v）

19、的平衡电势却不同，与基底相比，粒径均匀的纳米镍镀层和粒径梯度分布的纳米镍镀层的耐腐蚀电位和平衡电势发生了明显变化。此外，还可以明显的看到粒径均匀的纳米镍镀和粒径梯度分布的纳米镍镀层的腐蚀电流密度明显下降。众所周知，粒径均匀的纳米镍镀层的耐腐蚀性能有了明显提升。然后，由图5和表1中的有用信息可以清楚地知道粒径梯度分布的纳米镍镀层（-0.913v）比粒径均匀的纳米镍镀层（-0.984v）拥有更正的腐蚀电位。腐蚀电流密度从基底的39.93a/m2骤降到粒径梯度分布的纳米镍镀层的6.39a/m2。此外，粒径梯度分布的纳米镍镀层的极化曲线表明阳极钝化电位在-0.421v到-0.173v间，说明一种大约降

20、低129.6a/m2的腐蚀电流密度的钝化膜在表面上形成。当电压比-0.173v更正，钝化膜就会被破坏，同时镀层中的镍也溶解。粒径均匀的镀层在-0.501v和-0.34v间有一个小的钝化平衡，其腐蚀电流密度为382.9a/m2。因此，粒径梯度分布均匀的纳米镍镀层的耐腐蚀性预期会比粒径均匀的镀层好。尽管后者对基底来说是一种有效的耐腐蚀性镀层。图5 在3%的nacl水溶液中基底（a）、粒径均匀的纳米镍镀层（b）、gsg纳米镍镀层的塔菲尔图表1 在3%的nacl水溶液中观察到的腐蚀电位和腐蚀电流密度数值3.4镀层的机械性能 图6显示的是弯曲试验的图表。粒径均匀的镀层的硬度与粒径梯度分布的镀层一样。在弯

21、曲试验中第一步是三点弯曲试验（图6（a），第二步是压力试验（图6（b），在第一步实验中粒径梯度分布镀层和粒径均匀镀层的弯曲角度都大于90，在第一步实验后两个样品没有明显区别。在第二步中两个样品都被进一步压弯。图7表示实验样品在经过两步实验后，粒径梯度分布的纳米镍镀层（a）和粒径均匀的纳米镍镀层（b）。可以看出弯曲超过180后粒径梯度分布的纳米镍镀层与基底粘合仍然紧密且镀层表面并未发生断裂（图7（a）。然后粒径均匀的纳米镍镀层在弯曲超过180后发生断裂并与基底分离（图7（b）。由此在表面张力相同的条件下，粒径梯度分布的镀层比粒径均匀的镀层拥有更好的结合力与韧性。这是由于粒径梯度分布的镀层与基底相

22、连的一层有叫大的粒径。镀层与基底相近，表现出了较小的张力却拥有较高的韧性。由于机械性能的差异，从基底到镀层表面张力逐渐增加但内应力却降到一个最小值7。因此，使用电镀得到的优良梯度纳米镀层可以用来降低内应力。目前研究表明，即使镀件在表面上不受影响，但其在高的张应力作用下其疲劳使用寿命会降低，因此纳米材料在工业上就显得尤为重要23。在工业上粒径梯度分布的纳米镍镀层因其超凡的性能而改变设备的机械性能和使用寿命就显得合理了。图6 在弯曲测试中三点弯曲试验（a）和加压试验（b）原理图（fig. 6. schematic illustrations for three-point bend (a), ex

23、trusion equipment (b) in bend test.）图7 弯曲测试后的样本图：（a）gsg镀层 （b）粒径均匀镀层 （fig. 7. typical specimens after bend test: (a) substrate with the gsg coating, (b) substratewith the uniform grain size coating.）4结论待添加的隐藏文字内容3通过在电镀过程中增加纯晶剂糖精的浓度可以得到一种新型的粒径呈梯度分布的纳米镍镀层。镀层中颗粒尺寸从接近基底的几百纳米降到镀层表面的大约22nm，随着晶粒的逐渐细化，可以看到从1

24、.96gpa到镀层表面的6.0gpa的硬度梯度层。弯曲测试与电化学性能测试表明与粒径均匀的纳米镍镀层相比，粒径呈梯度分布的纳米镍镀层有着超凡的结合力，良好的韧性，优异的耐腐蚀性能。如此高性能的力度梯度镀层可能会扩大纳米结构和纳米晶体在功能材料上的应用。致谢 这项工作得到国家关键基础研究和发展项目基金（no.2004cb619301）、国家自然基金（no.50771049）和吉林大学985汽车工程的支持。作者还要感谢吉林大学习虚生教授在样品准备方面给予的建议。参考文献1 h. gleiter, acta mater. 48 (2000) 1.2 g. hibbard, k.t. aust, g.

25、 palumbo, u. erb, et al., scripta mater. 44 (2001) 493.3 k.s. kumar, h. van swygenhoven, s. suresh, acta mater. 51 (2003) 5743.4 l. lu, y.f. shen, x.h. chen, k. lu, et al., science 304 (2004) 422.5 k. kokini, b.d. choules, composite eng. 5 (1995) 865.6 z.q. zheng, s.q. liang, mater. sci. eng. 10 (1)

26、 (1992) 1.7 l.p. wang, y. gao, q.j. xue, h.w. liu, t. xu, j. phys. d: appl. phys. 38 (2005) 1318.8 u. erb, nanostruct. mater. 6 (1995) 533.9 c.c. koch, k.m. youssef, r.o. scattergood, k.l. murty, adv. eng. mater. 7 (2005) 787.10 c.d. gu, j.s. lian, z.h. jiang, q. jiang, scripta mater. 54 (2006) 579.11 h.z. zhang, z.h. jiang, j.s. lian, q. jiang, ad