离子液体电沉积Al-Mn合金镀层的人工汗液腐蚀研究
发布时间：2021-06-14 00:30
镍镀层作为最重要的防护装饰性镀层之一,广泛应用在人们日常生活中密切接触到的金属表面。然而镍镀层在与人体的皮肤长期接触后易被汗液腐蚀,产生镍释放现象,对人体造成过敏等危害。随着社会发展,人们与金属的接触将愈发频繁。出于安全的考量,国际上出台了相关规定限制与人体密切接触的金属材料的镍释放量。为了达到这一规定,减少甚至消除镀层的镍释放量,尤其是镍替代镀层的研究工作有十分重要的工程应用价值和科学意义。为解决镍镀层的镍释放问题,本文创新性地提出以Al-Mn合金镀层作为镍替代镀层,镀层中完全不含镍元素,从根源上消除镍释放的危害。本文采用离子液体电沉积技术制备具有不同晶体结构的Al-Mn合金镀层,研究了钝化处理、光亮镀对镀层性能的影响,通过照相法对比镀层的镜面光亮程度,采用粗糙度仪、光泽度仪、电子显微镜分析镀层的宏观和微观特征,采用显微硬度计分析镀层硬度,通过静态浸泡腐蚀试验和电化学测试研究镀层在人工汗液中的耐蚀性。研究结果表明:在AlCl3-EMIC-MnCl2离子液体中电沉积得到的晶态Al-Mn合金镀层均匀致密、与基体结合情况良好。镀层在人工汗液中发生...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AlCl3-EMIC离子液体在353K时的离子种类分布图[55]
浙江大学硕士学位论文103+427(1.3)3+27310(1.4)AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性与两种物质的摩尔比例有关，如图1.2所示。其中，路易斯酸性物质是指能接受电子的物质，路易斯碱性物质是指具有提供电子能力的物质。AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性取决于液体中Al2Cl7-和Cl-的比例，Al2Cl7-可以接受电子，是路易斯酸性的离子，而Cl-可以提供电子，是路易斯碱性的离子，在AlCl3-EMIC离子液体中，存在酸碱平衡的反应，方程式如下：27+24(1.5)当AlCl3与EMIC的摩尔比小于1时，离子液体中含有Cl-，不含Al2Cl7-，因此是路易斯碱性；当AlCl3与EMIC的摩尔比等于1时，离子液体中不含Al2Cl7-和Cl-，只含AlCl4-，因此是路易斯中性；当AlCl3与EMIC的摩尔比大于1时，离子液体中包含Al2Cl7-，不含Cl-，因此是路易斯酸性。图1.2AlCl3-EMIC离子液体中路易斯酸碱性与AlCl3摩尔比例关系[56]Fig.1.2TherelationshipbetweenLewisacid/basepropertieswiththemolarratioofAlCl3ofAlCl3-EMICionicliquid[56]同时AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性会影响离子液体的电化学窗口[57]。路易斯酸性的离子液体对应的电化学窗口为0~+2.5Vvs.Al；路易斯碱性的离子液体对应的电化学窗口为-1.9~+1.0Vvs.Al；路易斯中性的离子液体对应的电化学窗口为-1.9~+2.5Vvs.Al，达4.4V。Al可在酸性离子液体中电沉积。除了较宽的电化学窗口外，AlCl3-EMIC离子液体还具有较高的电导率和较低的粘度。在298K时，电导率为17.1mS/cm，粘度为15.35mPa·s，而第二代
浙江大学硕士学位论文12的离子液体，沉积的电流密度为6mA/cm2，时间为4h，镀层厚度为20μm。2014年，Cai[52]在相同的离子液体体系中制备Al-Mn合金镀层，并探究了镀层中Mn含量与镀液中Mn浓度的关系。当镀液中MnCl2浓度为0.03~0.12mol/L时，镀层中Mn含量随着镀液中Mn浓度的增加而增加，如图1.3所示。图1.3镀层中Mn含量与镀液中Mn浓度的关系[52]Fig.1.3TherelationshipbetweenMncontentincoatingandMnconcentrationinelectrolyte[52]之后，Hesham[85]，Ispas[27,86]，Huang[87]等人先后在相同的离子液体体系中进行了Al-Mn合金的电沉积，内容涉及镀层的微观组织结构、力学性能、耐腐蚀性能、电沉积机理等。离子液体电沉积技术用于制备Al-Mn镀层的趋势逐渐增大。本课题组自2011年起开展在活性金属基体上利用AlCl3-EMIC离子液体体系电沉积制备非晶态Al-Mn合金镀层的研究工作，镀液中的MnCl2含量为0.2mol/L，电流密度为6~20mA/cm2，沉积时间为8~240min，镀层厚度为1~20m。研究中使用的基体为NdFeB、TbDyFe材料，分别探究了基体材料的前处理、镀层热处理、镀层钝化处理等工艺对镀层性能的影响，制备得到了硬度达5.4GPa、与NdFeB结合力大于13.4MPa、在中性NaCl溶液中盐雾试验500h以上不产生黄锈的非晶态Al-Mn合金镀层。1.7Al-Mn合金镀层耐蚀性影响因素1.7.1锰含量对Al-Mn合金镀层结构的影响为了了解Al-Mn合金镀层耐蚀性的影响因素，首先需要知道Al-Mn合金的相组成。图1.4给出了Al-Mn合金相图[88]，可见随Mn含量的增加，Al-Mn合金从固溶Mn的Al逐步向Al12Mn、Al4Mn、Al11Mn4、Al8Mn5、Mn转变。由于电沉积过程能量较大，得到的是非热力学平衡的状态，因此可以得到Al-Mn合金相图中没有的相，这也是采用电沉积方法得到Al-Mn合金
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面无铬钝化工艺研究进展[J]. 吴慧斌,徐冰,谭志清. 广州化工. 2019(23)
[2]NdFeB表面电沉积不同厚度Al-Mn镀层的耐蚀性[J]. 詹吟桥,凌国平. 材料保护. 2018(09)
[3]电镀电流密度对铝锰合金镀层耐蚀性的影响[J]. 蔡婷婷,杨云,李艳芳,曹阳. 表面技术. 2017(12)
[4]铝及其合金化学转化法的研究进展[J]. 秘雪,满瑞林,李波. 山东化工. 2017(11)
[5]AlCl3-EMIC离子液体电沉积光亮Al和Al-Mn镀层[J]. 薛东朋,徐霸津,陈益明,张仇,凌国平. 化工学报. 2015(S1)
[6]NdFeB表面离子液体电沉积Al-Mn和Al镀层的耐蚀性[J]. 丁晶晶,凌国平. 材料保护. 2014(02)
[7]离子液体电沉积及其应用[J]. 凌国平,陈益明. 热处理技术与装备. 2013(06)
[8]钕铁硼在AlCl3-EMIC离子液体中电沉积铝层的耐腐蚀性能[J]. 陈静,凌国平. 材料保护. 2011(11)
[9]稀土合金表面室温熔盐电沉积铝的研究[J]. 凌国平,李岩,张舟永. 稀有金属材料与工程. 2010(08)
[10]AZ31B镁合金表面电镀铝锰合金的耐蚀性[J]. 张吉阜,张伟,杜克勤,严川伟,王福会. 中国腐蚀与防护学报. 2010(04)
博士论文
[1]铝合金锆基转化膜的制备及成膜机理的研究[D]. 刘洋.哈尔滨工程大学 2017
硕士论文
[1]铝合金钛锆体系无铬钝化工艺及其性能研究[D]. 王振文.哈尔滨工业大学 2014
[2]稀土磁性材料离子液体电沉积铝锰合金及其性能研究[D]. 丁晶晶.浙江大学 2014
[3]电子产品镍释放机理、测试及其评价标准的研究[D]. 隋琳.北京邮电大学 2014
本文编号：3228669
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
AlCl3-EMIC离子液体在353K时的离子种类分布图[55]
浙江大学硕士学位论文103+427(1.3)3+27310(1.4)AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性与两种物质的摩尔比例有关，如图1.2所示。其中，路易斯酸性物质是指能接受电子的物质，路易斯碱性物质是指具有提供电子能力的物质。AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性取决于液体中Al2Cl7-和Cl-的比例，Al2Cl7-可以接受电子，是路易斯酸性的离子，而Cl-可以提供电子，是路易斯碱性的离子，在AlCl3-EMIC离子液体中，存在酸碱平衡的反应，方程式如下：27+24(1.5)当AlCl3与EMIC的摩尔比小于1时，离子液体中含有Cl-，不含Al2Cl7-，因此是路易斯碱性；当AlCl3与EMIC的摩尔比等于1时，离子液体中不含Al2Cl7-和Cl-，只含AlCl4-，因此是路易斯中性；当AlCl3与EMIC的摩尔比大于1时，离子液体中包含Al2Cl7-，不含Cl-，因此是路易斯酸性。图1.2AlCl3-EMIC离子液体中路易斯酸碱性与AlCl3摩尔比例关系[56]Fig.1.2TherelationshipbetweenLewisacid/basepropertieswiththemolarratioofAlCl3ofAlCl3-EMICionicliquid[56]同时AlCl3-EMIC离子液体的路易斯酸碱性会影响离子液体的电化学窗口[57]。路易斯酸性的离子液体对应的电化学窗口为0~+2.5Vvs.Al；路易斯碱性的离子液体对应的电化学窗口为-1.9~+1.0Vvs.Al；路易斯中性的离子液体对应的电化学窗口为-1.9~+2.5Vvs.Al，达4.4V。Al可在酸性离子液体中电沉积。除了较宽的电化学窗口外，AlCl3-EMIC离子液体还具有较高的电导率和较低的粘度。在298K时，电导率为17.1mS/cm，粘度为15.35mPa·s，而第二代
浙江大学硕士学位论文12的离子液体，沉积的电流密度为6mA/cm2，时间为4h，镀层厚度为20μm。2014年，Cai[52]在相同的离子液体体系中制备Al-Mn合金镀层，并探究了镀层中Mn含量与镀液中Mn浓度的关系。当镀液中MnCl2浓度为0.03~0.12mol/L时，镀层中Mn含量随着镀液中Mn浓度的增加而增加，如图1.3所示。图1.3镀层中Mn含量与镀液中Mn浓度的关系[52]Fig.1.3TherelationshipbetweenMncontentincoatingandMnconcentrationinelectrolyte[52]之后，Hesham[85]，Ispas[27,86]，Huang[87]等人先后在相同的离子液体体系中进行了Al-Mn合金的电沉积，内容涉及镀层的微观组织结构、力学性能、耐腐蚀性能、电沉积机理等。离子液体电沉积技术用于制备Al-Mn镀层的趋势逐渐增大。本课题组自2011年起开展在活性金属基体上利用AlCl3-EMIC离子液体体系电沉积制备非晶态Al-Mn合金镀层的研究工作，镀液中的MnCl2含量为0.2mol/L，电流密度为6~20mA/cm2，沉积时间为8~240min，镀层厚度为1~20m。研究中使用的基体为NdFeB、TbDyFe材料，分别探究了基体材料的前处理、镀层热处理、镀层钝化处理等工艺对镀层性能的影响，制备得到了硬度达5.4GPa、与NdFeB结合力大于13.4MPa、在中性NaCl溶液中盐雾试验500h以上不产生黄锈的非晶态Al-Mn合金镀层。1.7Al-Mn合金镀层耐蚀性影响因素1.7.1锰含量对Al-Mn合金镀层结构的影响为了了解Al-Mn合金镀层耐蚀性的影响因素，首先需要知道Al-Mn合金的相组成。图1.4给出了Al-Mn合金相图[88]，可见随Mn含量的增加，Al-Mn合金从固溶Mn的Al逐步向Al12Mn、Al4Mn、Al11Mn4、Al8Mn5、Mn转变。由于电沉积过程能量较大，得到的是非热力学平衡的状态，因此可以得到Al-Mn合金相图中没有的相，这也是采用电沉积方法得到Al-Mn合金
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属表面无铬钝化工艺研究进展[J]. 吴慧斌,徐冰,谭志清. 广州化工. 2019(23)
[2]NdFeB表面电沉积不同厚度Al-Mn镀层的耐蚀性[J]. 詹吟桥,凌国平. 材料保护. 2018(09)
[3]电镀电流密度对铝锰合金镀层耐蚀性的影响[J]. 蔡婷婷,杨云,李艳芳,曹阳. 表面技术. 2017(12)
[4]铝及其合金化学转化法的研究进展[J]. 秘雪,满瑞林,李波. 山东化工. 2017(11)
[5]AlCl3-EMIC离子液体电沉积光亮Al和Al-Mn镀层[J]. 薛东朋,徐霸津,陈益明,张仇,凌国平. 化工学报. 2015(S1)
[6]NdFeB表面离子液体电沉积Al-Mn和Al镀层的耐蚀性[J]. 丁晶晶,凌国平. 材料保护. 2014(02)
[7]离子液体电沉积及其应用[J]. 凌国平,陈益明. 热处理技术与装备. 2013(06)
[8]钕铁硼在AlCl3-EMIC离子液体中电沉积铝层的耐腐蚀性能[J]. 陈静,凌国平. 材料保护. 2011(11)
[9]稀土合金表面室温熔盐电沉积铝的研究[J]. 凌国平,李岩,张舟永. 稀有金属材料与工程. 2010(08)
[10]AZ31B镁合金表面电镀铝锰合金的耐蚀性[J]. 张吉阜,张伟,杜克勤,严川伟,王福会. 中国腐蚀与防护学报. 2010(04)
博士论文
[1]铝合金锆基转化膜的制备及成膜机理的研究[D]. 刘洋.哈尔滨工程大学 2017
硕士论文
[1]铝合金钛锆体系无铬钝化工艺及其性能研究[D]. 王振文.哈尔滨工业大学 2014
[2]稀土磁性材料离子液体电沉积铝锰合金及其性能研究[D]. 丁晶晶.浙江大学 2014
[3]电子产品镍释放机理、测试及其评价标准的研究[D]. 隋琳.北京邮电大学 2014
本文编号：3228669
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