8-30 纳米材料的电化学制备及其在表面工程中的应用

高福全 杨文茂

　　从电化学角度探索制备金属纳米材料所涉及的问题（水溶液电解法制备金属纳米材料）和探讨纳米材料在表面工程中的应用前景。

　　依据电结晶理论及晶核形成概率W与过电位h_K关系公式W=Bexp（-b/h_K²），过电位h_K越大，晶核形成概率及晶核形成数目就越多，镀层越致密。因此，当合适的电解液组成和电解规范如电解液pH、阴极极化等确定之后，采用特殊电源（如脉冲电源）以提高电解过电位，可获得致密、纯度高、厚度均匀的镀层。由镀层厚度计算公式d=(D_Kth_c/10^3g)可知，在其它条件确定以后，严格控制电解规范D_K，t，可以获得几十到几百纳米的金属镀层。从纳米材料的制备角度出发，通过以下方式控制晶格的生成有利于镀层的剥离：基体表面平整，减少晶格缺陷；钝化基体表面，屏蔽基体晶格缺陷的作用，减小晶格与基体间的范德华力，降低镀层附着力。剥离镀层最简单易行的方式是机械剥离,但要求镀层附着力极低，易影响镀层纯度，且劳动强度大；其它剥离方式有超声波振动（基体采用薄壁板）、骤冷热等，或者几种剥离方式综合应用。对剥离得到的金属箔，进行粉碎、研磨，可得到纳米级厚度、微米级粒径的一维纳米片状金属粉体。采用高能球磨方法，控制适当的球磨条件，对片状金属粉体进一步的研磨，可获得三维纳米金属粉。在整个制备过程中，需采取有效的措施，解决纳米材料的防氧化、高纯度和有效分散等问题。

　　纳米材料在表面工程中的应用，可分为纳米功能涂料、纳米结构涂料和纳米复合镀覆。纳米功能涂料是指因纳米材料的引入使涂料具有某些特殊的性能，如抗老化、抗菌性、导电和隐身等。纳米结构涂料，是指使涂料细度达到纳米量级的涂料。Dacromet技术和 Swandowell GZH技术是两种典型的纳米结构涂料。前者涂层性质与镀锌层相似，可为钢铁基体提供牺牲阳极性保护，结构类似于富锌漆，以铬的化合物为片状锌粉和铝粉（微米级）之间的粘接剂，其涂装过程与热固性涂料类似。该技术有污染小、耐蚀性高（8mm涂层耐盐雾试验1000h）和无氢脆等优点。后者技术属于水系磷酸盐涂层技术，自身兼备了屏蔽、阳极保护和缓蚀三大作用。涂层在盐雾试验中10128h涂层完好。

　　该技术采用的锌粉、铝粉均为普通粉体，粒度大，导致其三大作用必须采用厚的涂层（50~60mm厚）来解决。如果用纳米级片状锌粉、铝粉替代普通锌、铝粉应用于这两个技术，不但可以保持其原有的特点而大幅度降低涂层厚度，从而提高涂层的尺寸精度，而且由于片状锌粉的细度降低，涂层的封闭性提高，致使其耐蚀性得以极大的提高，进而扩大该技术的应用领域。现在的复合镀技术所采用的粉体均为普通粉体，在获得某种功能的同时，因粉体的粒度大，造成镀层屏蔽性降低，从而使镀层耐蚀性降低。而采用纳米金属粉，可使粉体完全包覆于镀层中，避免了普通粉体的副作用，且镀层表面光洁细腻；对纳米复合镀层进行热处理，使金属纳米粉体与镀层金属共熔，得到相应的合金镀层，以替代现行的合金电镀技术，可简化镀液的维护。