阴极等离子电解沉积技术简介及其研究进展

阴极等离子电解沉积是一种将传统电解和等离子体相结合的表面处理与材料制备技术,与传统的表面处理技术相比,该技术在能量消耗、制备速率、沉积层表面致密度、与基体结合力等方面均有大幅度改善,因此备受关注。概述了阴极等离子电解沉积的基本机理,包括电压-电流的演变过程、气体鞘层的形成过程、等离子体的演变规律和金属离子的沉积现象等,在此基础上讲解了阴极等离子电解沉积的技术优势。针对阴极等离子电解沉积过程中复杂的影响因素,分析并探讨了电压、占空比、时间等电参数以及酸含量、添加剂、电解液浓度等溶液参数对阴极等离子电解沉积的影响规律。在此基础上,重点综述了近年来阴极等离子电解沉积在多个领域的研究进展,包括先进陶瓷涂层、金属涂层以及复合涂层的制备,纳米电催化剂、纳米微球、中空微球和石墨烯等功能材料的合成以及渗碳、渗氮等领域的应用等。最后总结并展望了阴极等离子电解沉积在涂层领域的发展方向以及催化剂、石墨烯等其他新型领域的研究前景。

添加PVP对阴极等离子电解沉积Al_2O_3涂层的影响

采用阴极等离子电解沉积(CPED)在镍基高温合金上制备了一层Al_2O_3涂层。通过测试对比阴极表面在3个不同方向下的电压-电流密度曲线来分析CPED动力学过程。结果表明:在电解液中加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)后,临界起弧电流密度急剧下降,而且阴极表面的朝向对CPED过程的影响也相应的减弱。划痕实验结果表明,随着PVP添加量的增加,涂层的结合力得到明显的提高。通过添加PVP,等离子放电过程可以随机地、均匀地发生在各个阴极表面,因此可以在大面积复杂形状的阴极表面上沉积出均匀的Al_2O_3涂层。

Ti6Al4V表面Al_2O_3/MoS_2涂层的阴极等离子电解沉积及性能

利用阴极等离子电解沉积技术(CPED)在Ti6Al4V表面制备了Al2O3/Mo S2减磨耐蚀复合涂层。利用XRD、SEM、EDS等检测手段分析了复合涂层的形貌、物相及元素分布。结果表明,涂层表面呈多孔状,厚度为100μm,由α-Al2O3、γ-Al2O3与Mo S23相组成。涂层与基体结合强度达35 N。与Ti6Al4V相比,该涂层的摩擦系数降低了1/3,腐蚀电位显著提高,腐蚀电流密度下降,有效减缓了基体的腐蚀速率。

预处理对阴极等离子电解沉积制备Al_2O_3涂层性能的影响

采用阴极等离子电解沉积法在镍基高温合金K418上制备Al_2O_3陶瓷层,为降低沉积过程中的电流密度,研究了950℃预处理对涂层微观组织、物相组成、力学性能及沉积过程中电流密度-电压曲线的影响。结果表明:预处理对涂层的表面、截面形貌和物相组成没有明显影响。当预处理时间延长至300 min,涂层抗超声振荡性能和抗热冲击性能分别提高了106.36%和90.13%。拉伸法测定涂层结合强度结果显示,经950℃预处理30 min的试样结合力可由未经预处理时的24.60 MPa提高至37.32 MPa。这些特性主要归因于预制氧化膜使合金基体表面导电性下降,有效地将电流密度-电压曲线第一个峰值由未经预处理的1.84 A/cm^2降至0.26 A/cm^2,同时氧化膜的存在为后续等离子放弧均匀化提供基础,从而提高了涂层与基体之间的结合力。

阴极等离子体电解沉积铁镍/氮掺杂碳及其电催化产氧

目的提高阳极产氧催化剂的催化活性与稳定性,降低电解水制氢能耗。方法在含尿素、甲酰胺及三乙醇胺的有机体系电解液中,采用阴极等离子体电解沉积技术于TC4钛合金表面沉积了FeNi/N掺杂碳膜层,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)及X射线光电子能谱仪(XPS),对所合成材料的物相组成、形貌及表面元素价态进行表征。采用三电极体系,所合成膜层作为工作电极,铂丝与饱和甘汞电极分别作为对电极与参比电极,通过线性扫描伏安法(LSV)、塔菲尔曲线、电化学阻抗谱及计时电位法于1.0 mol/L KOH溶液中评价了所合成材料的电催化产氧活性与稳定性。结果所合成膜层物相主要由FeNi、N掺杂碳构成,表面呈粗糙多孔结构,电解沉积70min所得FeNi/N掺杂碳在10 mA/cm^(2)下的析氧过电位为0.20 V,显著低于反应10、40、100 min下所得样品,产氧性能优于贵金属IrO_(2)和RuO_(2),同时该样品呈现出较低的电荷转移电阻(1.75Ω)和塔菲尔斜率(38.3 mV/dec),以及优异的稳定性。结论膜层表面粗糙多孔结构可有效增强传质,并为电催化产氧提供丰富的活性位点,进而改善其产氧性能。此外,材料简易的制备方法及自支撑结构可简化电极制备成本,使其在电解水领域表现出潜在的应用前景。

阴极等离子电解大面积沉积弥散Pt微粒增韧8YSZ热障涂层

采用大气等离子喷涂(APS)在高温合金表面制备一层Ni Co Cr Al Y粘结层,然后采用阴极等离子电解沉积(CPED)制备一层弥散Pt微粒的8YSZ涂层。通过在电解液中加入陶瓷微珠,促使阴极表面发生均匀的等离子微弧放电,实现了在大面积样品上沉积8YSZ涂层。获得的涂层厚度到达120μm,具有多孔结构,由立方相和四方相8YSZ以及Pt组成。1100℃空气中循环氧化的结果表明,随着涂层中Pt含量的的增加,涂层的抗高温氧化和抗剥落性能得到明显提高。Pt微粒对8YSZ涂层的增韧作用主要为:Pt微粒塑性变形吸收裂纹扩展的能量,钝化裂纹尖端,减小裂纹尺寸,提高涂层的临界断裂应力。

乙醇环境下阴极等离子体电解沉积镍

在建立阴极等离子体电解沉积试验装置的基础上,分别采用不同浓度的乙醇、柠檬酸以及不同类型镍主盐的电解液进行阴极等离子体电解沉积金属镍,研究电解液成分对镍沉积速率和沉积层表面形貌的影响。结果表明,电解液中乙醇浓度逐渐升高时,镍沉积层表面逐渐变得平整,结构均匀细致,但沉积速率下降。溶液中柠檬酸的浓度逐渐升高时,可明显提高镍的沉积速率,沉积表面的颗粒尺寸有所减小。用氯化镍或硫酸镍作为主盐,镍的沉积速率较高,用氨基磺酸镍作为主盐则沉积速率较低,三类主盐对沉积表面的形貌影响不大。

等离子体电解阴极沉积Y_2O_3陶瓷涂层

在Y(NO3)3水溶液中,以Fe25Cr5Al合金为阴极,研究了等离子体电解阴极沉积Y2O3陶瓷涂层的规律。研究发现,当施加的槽电压超过临界值时,阴极发生气膜微弧放电,在合金表面沉积出Y2O3陶瓷涂层。研究了施加槽电压、沉积时间、Y(NO3)3浓度对沉积Y2O3陶瓷涂层的影响。扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)分析结果表明,获得的Y2O3陶瓷涂层表面具有熔融的特征,涂层致密与基体结合牢固。探讨了等离子体电解阴极沉积Y2O3涂层的机理。

阴极等离子电解制备抗氧化涂层

目的通过对阴极等离子电解放电机制进行讨论,提出大面积沉积复杂形状试样的解决办法。方法在电解液中添加表面活性剂和氯铂酸制备Pt颗粒弥散的复合涂层,通过测试电流密度-电压曲线,分析气膜放电机制,通过扫描电子显微镜对涂层的表面、截面形貌进行分析表征。结果在电解液中添加表面活性剂或者在阴极区施加微珠,使气膜层更均匀,同时降低了沉积涂层的电流密度。随着Pt含量的增加,涂层孔隙率逐渐降低。涂层中弥散的Pt颗粒起到了弥散增韧的作用,提高了涂层的断裂韧性和抗剥落性能。结论实现了在大面积复杂形状试样上制备陶瓷涂层,并通过在涂层中弥散Pt颗粒提高了涂层的致密性。

阴极等离子体电解沉积Co、Cr金属涂层及Ni-Cr、Co-Cr合金涂层

采用阴极等离子体电解沉积的方法制备了Co、Cr金属涂层以及Ni-Cr、Co-Cr合金涂层,并研究了不同主盐浓度和酸浓度对涂层结构和形貌的影响。结果表明,在阴极等离子体电解沉积过程中,涂层形貌演变规律主要取决于沉积速率和等离子体电弧的作用。较低的主盐浓度和较高的酸含量可以降低沉积速率,在等离子体电弧的作用下,沉积物可以充分地快速熔融并凝固,形成均匀、致密的涂层;而在较高的主盐浓度和较低的酸含量下,由于沉积速率快,大量的沉积物无法完全被等离子体电弧熔融,所以易形成枝晶或者粉末。

TC4表面等离子沉积Al2O3/MoS2涂层及性能分析

利用阴极等离子电解沉积技术在Ti6Al4V表面制备了Al2O3/MoS2减磨耐蚀复合涂层。利用XRD、SEM、DES等检测手段分析了脉冲电压对复合涂层的形貌、物相组成及涂层摩擦学/腐蚀性能的影响。结果表明,随着电压的升高,涂层中α-Al2O3硬质相的质量分数增加,但涂层表面粗糙度和孔径增大,导致MoS2的质量分数先增加然后下降。在干滑擦磨损试验中,300V以下的试样摩擦系数和磨损率最低,过高电压不利于耐磨性能的提高。腐蚀测试表明涂层样品比未处理的样品具有更好的耐腐蚀性。

碳/碳复合材料表面阴极等离子体电解沉积硅掺杂羟基磷灰石涂层及其结构性能研究

碳/碳(C/C)复合材料具有优异的生物力学性能,是制备硬组织植入体的理想材料,但其表面呈生物惰性,限制了其在生物医用领域的应用.对C/C复合材料进行表面改性,在其表面制备一层羟基磷灰石涂层,赋予其生物活性,可以有效解决这一问题.通过阴极等离子体电解沉积(CPED)技术,以含Ca、P、Si等元素的有机溶液为电解液,在C/C复合材料表面成功制备了Si掺杂羟基磷灰石涂层.实验结果发现,CPED涂层表面呈现粗糙的多级孔结构.能谱(EDS)结果表明,Si元素已被掺杂到CPED涂层中.FT-IR分析证明了硅酸根基团和碳酸根基团的存在,表明CPED涂层主要由B型羟基磷灰石构成.SBF浸泡实验表明,通过CPED工艺形成的Si掺杂涂层表现出优异的磷灰石诱导能力,表明C/C复合材料的生物活性得到显着提高.成骨细胞培养实验结果表明,CPED涂层具有良好的生物相容性.

TA2钛合金表面Al_2O_3/石墨自润滑沉积层的制备及其摩擦学性能研究

采用阴极液相等离子体电解沉积技术(PED)在TA2钛合金表面一步制备了含石墨的Al2O3陶瓷沉积层。利用SEM和XRD对沉积层的结构和成分进行了表征,并探讨了沉积层的形成过程和机理。用摩擦试验机评价了沉积层的摩擦磨损性能。结果表明,通过在电解液中添加适量的石墨,利用PED技术可在TA2钛合金表面制备由α-Al2O3、γ-Al2O3和石墨相组成的复合沉积层。与TA2钛合金以及不含石墨的Al2O3沉积层相比,Al2O3/石墨复合沉积层的摩擦系数显著降低,磨损率随之减小,具有良好的减摩抗磨性能。

预制膜厚度对铝硅合金CPED陶瓷层组织及隔热性能的影响

为研究预制膜厚度对CPED陶瓷层生长过程、微观形貌、元素分布、物相及隔热性能的影响,通过改变预制膜厚度在铝硅合金表面制备CPED陶瓷层,采用环境扫描电子显微镜和X射线衍射仪分别对陶瓷层进行了表面、截面形貌以及物相组成分析;通过自制隔热测试装置对CPED陶瓷层进行了隔热性能测试.结果表明:随着预制膜厚度增加,制得的陶瓷层的放电通道的数量及分布均匀程度先增加后减小,预制膜为9μm时制得的陶瓷层放电通道多且均匀,表面的岛状沉积物较少;预制膜为3μm和12μm的陶瓷层在沉积10min时出现固溶体Zr_3Y_4O_(12),预制膜为9μm在30min时出现固溶体Zr_3Y_4O_(12);随着预制膜厚度增加,陶瓷层的隔热性能呈先上升后下降的趋势,预制膜为9μm的陶瓷层隔热性能最优.