【《电铸镍技术发展研究的国内外文献综述》3800字】

电铸镍技术发展研究的国内外文献综述1.1研究背景航空航天制造是精密装置制造的重要领域，是世界最先进制造技术的结晶。在《中国制造2025》中强调了航天制造的重要地位，指出推进制造创新要把航空和航天制造放在重点发展位置。2016年，国家又着重指出将加快成为航空航天强国的步伐，继续加快航空航天技术的发展。加速建设载人航天、月球登陆、太空高精度监测等重点航天工程[1]。X射线不仅是物理学、生物医学常用的实验探究方法，也是人类探索宇宙的重要途径与手段[5]。天体运动往往伴随着X射线的发生，但目前只有远地轨道的监测卫星有机会观测得到。从X射线中，我们可以得到天体运动的某些数据。随着对宇宙研究探索的不断深入，对地外X发射源的监测也日益重要。X射线聚焦望远镜就是为了监测地外X射线的一种专用仪器，并通过信号转换能将这些X射线分辨为图像[6]。爱因斯坦探针(EinsteinProbe,EP)[2,3,4]是一颗最新研发小型天文探测卫星。它由中国科学院主持发起，面向时域天文学和高能天体物理研究。爱因斯坦探针设计的目的是为了对太空中的X射线区域进行全天候、高精度的监测，来找寻准确的X射线源位置，得到准确度高的X射线光谱。爱因斯坦探针的检测设施由两台望远镜组成[7]。一台全天监视器型的宽视场X射线望远镜。宽视场镜的作用是实现大范围的全天候的X射线监测。另一台是后随观测X射线望远镜，后随观测镜主要是为了对射线源进行准确高速的巡回式探测。这样做的目的是为了得到更为精确的射线源定位,并且后随观测镜凭借着卫星的灵活性，可以长时间观测射线源的变化，有利于数据准确性的提高。本课题主要集中与探针的反射镜部分的工程研制。X射线望远镜反射镜镜片的表面精密度极高，这是其能发挥功能的基本条件，只有到达精度标准的镜片才能有效地、精确地对射线源进行监测。保证X射线图谱的准确性。镜片的表面精密度甚至要求达到原子级别。爱因斯坦探针研制工程已于2017年启动，预计5年内完工。电铸镍复制技术[10],顾名思义，其技术原理还是基于电沉积理论，电沉积镍的过程中，镍镀层的粗糙度是离子级别的，所以电镀镍层可以完美复制阴极芯模的表面形貌，当芯模表面到达实际应用中所需要的表面粗糙度时，电铸生产出来的镍镀层也具有一样的精密程度。所以在望远镜镜片的研制工程，选择了原理简单、可实现性强、精密度高的电铸镍复制技术。在镜片的制备中，在保证高精密度的同时，还要注意诸多方面。电镀过程对实验条件的变化较为敏感，镀液体系、工艺参数稍微变化，就会引起镀层的急剧劣化，其中镀层内应力变化最为明显，内应力过高甚至会导致镀层的开裂，应力的存在也会大大影响镍镀层的力学性能，减少使用寿命。内应力的产生与诸多因素有关，其中与电流密度的关系最大。电流密度过小过大都会引起镍镀层内应力的升高。所以每一个电镀镍体系都有一个内应力为零的电流密度值，这个就可称为该体系的最佳电镀工艺参数[8]。1.2电铸镍技术的概述及研究现状电铸技术是一种常见的精密零件制造技术[9]。通过电镀的形式进行。所以电铸的精密程度是离子级别的。电铸是对阴极的完美复制，两者一致性很好，保证了其生产质量。电铸凭借其在精密性、加工原理上的优势，所以可以利用电铸造技术对零件进行精密加工，成为国民经济和工业生产中一种重要的制造工艺。随着航空航天领域的迅速发展，各种精密零件的需求也急剧增加，电铸工艺的优势，使其成为了航空设施制备领域的重要技术。电铸工艺主要通过在芯模上进行电镀，然后再将电镀好的镀层从芯模上脱下来。电铸与电镀利用的的原理相同。但二者不同的是，电镀要求镀层的结合力较好，要与基体紧密结合，达到电镀保护、装饰的目的。电铸则要求镀层与芯模易于分离，而且电铸制造中的镀层厚度也远大于电镀工艺所需的镀层厚度。电铸造工艺中应用最为广泛的金属是镍。镍是工业生产中重要的金属元素[11]。高纯度的镍本身就是一种性能较好的金属材料，机械强度高，耐腐蚀，耐高温，光亮度高。镍常常作为基体来制造特种的合金材料，如记忆合金，这类合金材料主要包括镍钛合金、镍铜合金等，记忆合金在发生塑性形变之后，可以通过改变温度来恢复到原来的形状。目前较多应用于医学领域和航空制造领域，人造心脏的马达、和太空卫星中的自动张开设备等等。储氢合金是镍合金的另一重要应用，镍本身没有储存氢气的能力，但镍具有较高的催化性能，其本身的耐热耐腐蚀的优异性能，对改善储氢合金的储氢能力有促进作用。目前使用镍为基体的储氢合金主要是和稀土类元素的合金和镍镁合金。但两种合金的制造成本过高，大范围应用的难度太大。电铸镍技术主要运用在精密制造领域。相较于其他的金属加工制造方法，电铸具有无可比拟的精密度优势，电铸对所要制造的零件表面是原子级别的复刻，这就保证了电铸成品性质的一致性。在电子电路、航天制造、生物医学、精密仪器等制造领域，电铸扮演着越来越重要的角色。在X射线望远镜镜片制造领域，电铸镍技术有重要地位，国外研究起步要比中国早许多，也有着丰的应用经历。1984年，美国西北大学联合英国伯明翰大学就做过相关反射镜镜片制备的应用实例[12,13]，成功制备出了沃尔特型反射镜。沃尔特型反射镜是一种掠射式的X射线望远镜，传统的折射式望远镜、反射式望远镜，对X射线的捕捉、聚焦能力较差，X射线甚至会直接穿过反射望远镜本身。而掠射式望远镜利用的是X射线入几乎平行入射时会发生全反射的原理而进行X光成像的。沃尔特型反射镜镜片的制备技术就是利用了电铸镍复制工艺，通过在氨基磺酸盐体系中电镀镍，成功制备了镀层厚度为1mm的反射镜镜片。XMM-Newton卫星的X射线望远镜也是一种沃尔特型掠入式望远镜，如图1-1所示，它的三个X射线望远镜采用了58层沃尔特型掠入式反射镜镜片，厚度为1mm。它的制作工艺也是电铸镍复制工艺[14]。图1-1，左图为XMM-Newton望远镜实物图，右图为其聚焦成像原理电铸镍镀液体系丰富，有硫酸盐型、全氯化物型、氨基磺酸镍型、无氯化物型等[16]。其中硫酸盐是目前应用最广泛的一种镀液体系，主盐为硫酸镍，镀液中含有缓冲剂硼酸和氯化镍，该体系电镀出来的镍镀层性能优良，镀层的力学性能和耐热耐腐蚀性与氨基磺酸盐镀液体系相差无几，且镀液成本较低，还可以通过加入不同添加剂，控住电镀出不同光亮度的镀层。氨基磺酸盐镀液体系是在航空制造领域，尤其是在X射线望远镜镜片制造应用较多的镀液体系，该镀液体系最大的特点是电镀出来的镍镀层应力小[15]，结晶细腻，在镍镀层零应力条件下的电流密度较大，可以有效缩短镜片的制造周期镀液。镀液的主盐为氨基磺酸镍，缓冲剂为常见的硼酸，镀液中还含有适量氯化镍，用于阳极活化和提高镀液的电导率。添加剂的种类主要有针孔消除剂和应力消除剂。1.3电铸镍层内应力的研究所有的镀层在电沉积过程中都会产生内应力。镀层的内应力产生是由于电沉积过程，结晶在生长过程中的受到其他晶粒或者添加剂分子的影响而产生的用于抵消其作用的反作用力。当其他晶粒或者添加剂分子的作用使结晶发生了较大位移，产生了一个向外伸长扩张生长的趋势，这时镀层内应力呈现出来的就为压应力。压应力的产生会增大镀层和基体的结合力，而且结晶更致密，但压应力过大会引起镀层鼓包，当对结晶的作用较弱，晶粒与晶粒之间产生了聚集生长的趋势，镀层呈现出来的就为拉应力。拉应力作用的方向是远离阴极基体的，过大就会造成两者脱落，镀层开裂。从微观上讲，镍结晶的结晶方式，镍晶粒的尺寸大小，大分子的添加剂或者离子型的添加剂都会对镍镀层应力产生影响。而从宏观角度，电沉积过程中，结晶方式和结晶大小和结晶速率都与电流密度，温度等电镀工艺参数有关。电流密度越低，结晶越细致，反之，晶粒越大。镀液组分也是影响电镀镍层的关键因素，如主盐的浓度和添加剂的种类，对于本课题所选取的实验体系，氯离子的浓度变化会很大程度上影响内应力的变化。而且在镀液长期电镀的情况下，体系中产生的各种杂质，也会造成内应力改变，这是实际生产中最不可控的因素，所以要注意电镀过程中的镀液过滤和各种成分监测，维持镀液体系的稳定。各种应力表现如图1-2所示，其中阴影较厚部分为基体，无色较薄部分为镀层，从上到下分别为拉应力、压应力和零应力。图1-2内应力作用方向图[16]参考文献朱增伟，刘亚鹏，胡军臣，薛子明，朱荻，航天制造中的电铸技术.《电加工与模具》:1009－279X（2019）01－0001-07YuanW,OsborneJP,ZhangC,etal.ExploringthedynamicX-rayuniverse:ScientificopportunitiesfortheEinsteinProbemission.ChinJSpaceSci,2016,36:117–1389YuanW,AmatiL,CannizzoJK,etal.Perspectivesongamma-rayburstphysicsandcosmologywithnextgenerationfacilities.SpaceSciRev,2016,202:235–277,arXiv:1606.0953610HoltSS,PriedhorskyW.All-skymonitorsforX-rayastronomy.SpaceSciRev,1987,45:269–28黎龙辉，张臣，金戈，袁为民，李臻，顾燕，张振，Angel型平面龙虾眼光学器件微孔统计特性测试和分析，光学速报2021Vol.3李延伟,姚金环,杨哲龙.氨基磺酸盐镀镍过程中内应力产生及变化的因素与机理[J].材料保护,2008(10):34-36.赵子健，王于仨，张留洋，陈灿，马佳，Wolter-I型聚焦镜X射线光学实验与仿真，光学精密工程，2019Vol.112330-2336ZhangJinfeng(张金凤),WangMingsheng(王明生).PlatingandFinishing(电镀与精饰)[J],1997,19(5):14陈天玉.复合镀镍和特种镀镍［M］.北京：化学工业出版社，2009：305-309.韩剑.CFRP反射镜纳米晶Ni镀层制备工艺研究[D].大连理工大学,2017HONGJ，ROMAINES，TEAMTM.MiniaturelightweightX-rayoptics(MiXO)forsurfaceelementalcompositionmappingofasteroidsandcomets[J].Earth，PlanetsandSpace，2016，68：35.ULMERMP，PURCELLWR，LOUGHLINJE，etal.ElectroformreplicationusedformultipleX-raymirrorproduction[J].AppliedOptics，1984，23（23）：4233-4236.ULMERMP，MATSUIY，BEDFORDDK，etal.Electroformedgrazingincidencex-raymirrorsforamirrorarraytelescope[J].AppliedOptics，1987，26（18）：3852-3857SchusterR,KirchnerV,AllonguePetal.Electrochemicalmicromachining[J].Science,2000,289(5476):98-101.SchlesingerM，PaunovicM．ModernElectroplating(现代电镀)[M].Beijing:ChemicalIndus