一步电镀镍复合纳米层改善低碳钢表面性能及相关技术的拓展研究

发布时间：2018-04-16 17:28

本文选题：低碳钢 + 电镀　；参考：《上海大学》2016年博士论文

【摘要】：低碳钢材料来源丰富、冶炼容易、价格便宜,具有良好的强度、延展性及加工成形性,被广泛开发应用,在日常生活和工业生产中发挥了巨大的价值。然而,低碳钢材料的表面性能存在不足,缩短了材料的寿命,限制了其应用范围。其中,低碳钢表面能大,对水的附着力强,将低碳钢材料应用于水利运输、船体等易造成大量的能量损失。改善低碳钢材料表面的润湿性,如赋予其超疏水性,既能够极大地减小压力损失,节省能源,还可以利用其自清洁性应用于防腐、防污等领域。低碳钢的耐磨性较差,如具有较大的干摩擦系数和磨损速率。改善低碳钢关节、轴承的固体摩擦性能,既可减少润滑油的使用量,降低腐蚀风险,又可减小摩擦损耗。创新性地赋予钢材基体表面荧光性能用于监测基体表面的完整度,及时、有效地预防基体的机械损伤。为此,本文主要利用了一步电镀法,将纳米颗粒复合的金属镍功能性镀层涂覆在低碳钢基体表面上,改善基体的疏水、耐腐蚀、自清洁、硬度、耐磨等性能,并赋予了可用于在线、原位监测镀层完整的荧光性能。在实验部分主要阐述了三种掺杂纳米颗粒镍基镀层的制备方法,利用大量的电镜图分析了制备过程中有关参数的影响,并测试了镀层的性能。这三种复合镀层分别是镍-二硫化钨纳米颗粒、镍-磷-二硫化钼纳米颗粒、镍-磷-荧光颗粒。另外,在技术渊源上,对纳米颗粒改性的应用进行了拓展研究,基于银纳米颗粒的性能,制备了两种高分子-银纳米颗粒复合材料。主要工作如下:1.制备镍-二硫化钨纳米颗粒超疏水复合镀层所制备的金属-陶瓷超疏水镀层避免了使用传统的低表面能有机物修饰。通过实验分别研究了电流密度、二硫化钨纳米颗粒的浓度及糖精的添加量对镀层表面形貌、润湿性、表面化学成分的影响。所制备的镀层与水的静态接触角最大为158.3度,动态滚动角为7.7度。通过动电位极化曲线(Tafel曲线)和阻抗谱(EIS)研究了镀层的耐腐蚀性能,样品的最低腐蚀电流密度达到2.07×10-7A/cm2,相对低碳钢基体的1.21×10-5 A/cm2,镀层极大地改善了基体的耐腐蚀性能。利用X射线衍射仪分析了镀层的晶体结构,能谱仪测量了表面上二硫化钨纳米颗粒的沉积量,建立的二硫化钨含量与镀层疏水性和耐腐蚀性的关系。另外,镀层还表现出了稳定的耐磨性、与水的低附着力和自清洁性。2.制备镍-磷-二硫化钼纳米颗粒耐磨复合镀层在制备过程中,引入了超声技术辅助电化学沉积。超声的使用可以有效地减弱二硫化钼“枝晶生长”效应,得到的镀层具有相对较小的晶粒和较平整的表面,使镀层获得更高的显微硬度和耐磨性能。实验发现,表面活性剂的添加、超声的使用及二硫化钼纳米颗粒的浓度会影响复合镀层的表面形貌和化学成分组成,从而影响镀层的硬度和摩擦性能。在两种有无超声的体系下制备的样品,其干摩擦系数最低分别可达到0.11和0.08,而低碳钢基体的干摩擦系数高达0.7。利用维氏显微硬度计和三维轮廓仪分别对镀层的硬度和磨损量进行了分析。通过大量的SEM图分析了镀层的磨损机理。3.制备镍-磷-荧光纳米颗粒复合镀层使用了Ba MgAl11O17:Eu2+蓝色荧光颗粒作为掺杂粉体,十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和聚乙二醇(PEG)做为表面活性剂,使用电镀法将荧光颗粒从电镀基液中沉积在低碳钢表面上。在365 nm紫外灯照射下对比各镀层在紫外光下的荧光性能,利用扫描电子显微镜和能谱仪对镀层的表面形貌和元素组成进行了分析。研究发现,镀层上荧光颗粒的沉积量受两种表面活性剂浓度的影响,表现出了不同程度的荧光效果,使用两种表面活性剂的组合可以使荧光颗粒的沉积量更大。另外,在较低的搅拌速率下,镀层荧光性能更强。4.制备聚乙烯醇-银纳米颗粒、聚邻氨基苯硫酚-银纳米颗粒抗菌复合材料基于纳米颗粒对复合材料功能化改性的基本思路,本文做出了相应拓展。制备了两种银纳米颗粒改性的高分子复合材料,包括聚乙烯醇和聚邻氨基苯硫酚,并利用了紫外、红外、X射线衍射光谱、电镜图等对两种复合材料的结构进行了表征。结果表明,两种材料均表现出优异的抑菌性能。所制备的五种纳米复合材料均具备了多样化的性能。在制备方法上简便、高效,特别是一步制备法,在实际的生产中具有重要意义。这些纳米复合材料在海洋设备的防腐、防污抑菌、损耗监测以及海洋装备的改良等领域具有潜在应用价值。
[Abstract]:The invention relates to a preparation method of low carbon steel material , which is characterized in that the surface energy of the low carbon steel is large , the adhesion of the low carbon steel material is strong , the low carbon steel material is applied to the surface of the low carbon steel substrate , The corrosion resistance of Ni - P - molybdenum disulfide nanoparticles was studied by SEM and EIS . The results show that the surface morphology and wear resistance of the coatings can be reduced by using X - ray diffraction . The results show that the coating has a relatively small dry friction coefficient and self - cleaning performance .

【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG174.4;TQ153.12

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