电镀工艺

材 料 科 学 与 工 程 Materials Science &Engineering 纳米复合电镀综述

王吉锋

（贵州民族大学 信息工程学院 材料系 学号：201207060003）

【摘 要】介绍了电镀原理及纳米粒子对复合镀层的强化机制，综

述了电镀在废水处理中的应用以及一些电镀废水处理的主要技术和研究进展。阐述了纳米复合电镀的发展现状及应用情况。

【关键词】 电镀 纳米复合材料 废水处理 引 言

随着科学技术的高速发展，增强材料的功能性早已不是科研工作者们的唯一追求。利用废水处理的技术，不仅可以节约水资源，回收重金属，还能有效地解决电镀废水对水体的污染和人体的危害，保护生态环境和人体健康。纳米复合电镀具有工艺过程简单、经济，镀层结构和性质容易调控等优势，受到各行各业的关注，并被广泛应用于航空航天、国防和制造业等领域。纳米复合电镀是根据电结晶理论和弥散强化理论，通过电化学方法，使一种或数种不溶性的具有纳米尺寸的固体颗粒、惰性颗粒与金属离子发生共沉积，纳米颗粒被包裹在基质中，从而获得功能性纳米颗粒增强复合材料。

正文

1、 电镀的原理

电镀是金属表面的美容师，可在各种基础材料上获得各种基础性、装饰性和防护性良好的金属镀膜，其产品无处不在。因此，电镀在国民经济中有着举足轻重的地位。电镀是指借助外界直流电的作

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用，在溶液中进行电解反应，使导电体例如金属的表面沉积上一层金属或合金层的过程。比如镀铜，可以用CuSO4作电解质溶液，要镀的金属接电源负极，电源正极接纯铜，通电后，阴极发生反应：金属铜以离子状态进入镀液，并不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属铜，逐渐形成金属铜镀层。

电镀主要分为三个步骤：1）、液相传质，即在金属沉淀时阴极表面的金属离子参与阴极反应并消耗，形成从阴极到阳极金属离子逐渐增大的浓度梯度；2）、电化学还原，括前置转换和电荷转移； 3）、电结晶，即金属原子在阴极表明形成新相，包括晶核的形成和生长。电镀工艺分为镀前处理、电镀和镀后处理。

2、纳米复合镀层的形成机理

由于纳米复合电镀的影响因素众多，不同因素间的作用机理也十分复杂，目前为止，尚未出现一种成熟的理论或模型能够全面的解释纳米复合镀层的形成过程。随着纳米复合电镀的发展，出现了 Guglielmi［1］模型以及Celis［2］ 模型( 又称MTM 模型) 。

Guglielmi 认为，纳米粒子在阴极表面的沉积过程分为两个步骤，第一步，纳米粒子被溶液中的带电离子所包裹，在电极附近形成弱吸附; 第二步，被包裹在带电离子中的纳米粒子，能够在电场的作用下，脱去其表面所吸附的离子，其中一部分纳米粒子直接与电极接触，形成较强的电化学吸附。最后，与电极直接接触的、发生电化学吸附的纳米粒子被不断沉积到电极表面的金属离子嵌入，从而形成复合镀层。

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Celis 进一步细化了Guglielmi 模型。提出只有当被溶液中阳离子所包裹的纳米粒子能够在阴极表面脱去包裹的阳离子，并在阴极上发生还原反应时，纳米粒子才能够沉积在阴极表面。该模型认为复合电沉积过程有五个步骤: 1) 纳米粒子表面形成一层离子吸附层，即纳米粒子被镀液中阳离子所裹覆; 2) 在对流作用影响下，具有离子吸附层的纳米粒子运动到电极表面的流动边界层; 3) 被离子吸附层所包裹的纳米粒子通过扩散穿越流动边界层; 4)具有离子吸附层的纳米粒子到达电极表面; 5) 部分吸附在纳米粒子表面的离子在电极表面被还原导致纳米粒子被生长金属俘获。

3、纳米粒子对复合镀层的强化机制

纳米粒子对镀层的强化主要体现在纳米粒子的细晶强化、弥散强化及位错强化三个方面［3-4］: 1)细晶强化。即由于纳米粒子的加入，为金属离子的沉积提供了更多的核心，提高了形核率，抑制了金属晶粒的长大，使镀层产生细晶强化。2) 弥散强化。纳米粒子能够弥散到金属基质中，当受到外力时，纳米粒子能够有效地阻碍位错运动，使镀层产生弥散强化。3) 位错强化。纳米粒子的加入，位错密度提高，使位错运动困难，金属抵抗塑性变形的能力增大，表现出强化效果。

4、电镀废水处理技术

电镀废水成分复杂，除含有氰化物和酸碱废水外，其所含的重金属毒性巨大，包括铜、锌、铬、镍、铅、铂、金、银等。这些金属一经排放，进入环境中不能被生物降解，往往是参与食物链循环，并最

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终在生物体内积累，破坏生物体正常生理代谢活动，危害人类健康。电镀的处理技术有：1）、离子交换法，即利用离子交换树脂( 或是其他材料合成的离子交换剂) 对重金属离子进行置换，去除重金属离子达到纯化的目的。此法操作简单，便捷，残渣稳定，无二次污染。 2）、铁氧体法，即铁氧体沉淀法是根据生产铁氧体的原理发展而来，使废水中的各种金属离子形成铁氧体晶粒一起沉淀析出，使水得到净化，同时形成沉淀后，可通过磁力分离，能达到好的分离效果。它通常在废水中加入铁盐或亚铁盐，在碱性条件下加热搅拌，加入适量添加剂，最终形成铁氧体。重金属离子通过吸附、包裹和夹带的作用，取代铁氧体晶格中的Fe2 + 或Fe3 + 的位置，形成复合铁氧体，铁氧体通式FeO·Fe2O3。3）、吸附法，即主要是利用吸附剂的独特结构去除重金属离子的一种方法。利用固体物质的多孔性，让水中的一种或多种重金属离子被吸附到固体表面从而得到去除。常用的吸附剂主要有活性炭、硅藻土、沸石和活性氧化铝等。不同的吸附剂有着不同的吸附机理，主要有物理吸附和化学吸附两种，有的吸附剂在吸附的同时，还可以发挥絮凝的功效。

5、纳米复合电镀的发展现状与应用

1）、制备高硬度耐磨纳米复合镀层，高硬度耐磨纳米复合镀层主要是以镍基、铬基以及镍基合金作为基质金属，加入具有较高硬度的Al2O3、SiC 或金刚石等纳米微粒，这些纳米微粒能够分散到镀层中从而提高镀层的硬度及耐磨性。2）、制备耐高温抗氧化纳米复合镀层耐高温抗氧化纳米复合镀层主要由镍或镍基合金等基质金属和

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Al2O3、ZrO2等粒子复合沉积而成。由于ZrO2粒子在高温下对晶粒的长大具有一定的抑制作用，所以所制得的镀层呈现出较好的耐高温氧化性。3）、制备具有电接触功能及电催化活性的纳米复合镀层电接触功能纳米复合镀层是以Pb、Cu 或Ag 等为基质金属，以WC、SnO2或Mn3O4等微粒为连续相的复合镀层不仅具有良好的电接触功能，也具有较强的耐磨、耐腐蚀性的电接触功能纳米复合镀层。

结论

纳米复合电镀作为一种纳米复合材料制备技术和材料表面处理技术很多行业所认可，被广泛应用于机械制造、国防工业及通讯电子等行业;因此，若要实现纳米复合电镀的可持续发展，还需要人们进一步努力研究纳米复合电镀中不同粒子的沉积机理，探索镀液和纳米粒子利用效率更高、更环保的电镀工艺，推动纳米复合镀层向着多元化、功能化、实用化和制备工艺环保化的方向发展。

参考文献

［1］ Guglielmi N． Kineties of the deposition of inert particles from electrolytic baths［J］．J． Electrochem． Soc．，1972，119( 8) : 1009 ～ 1012． ［2］ Celis J P A． Mathematical model for the electrolytic codeposition of particles with a metallic matrix［J］． J． Electrochem．Soc．， 1987， 134( 6) : 1402-1408． ［3］ 张雷，孙本良，王琳，等． 纳米微粒复合电镀的研究进展［J］． 电镀与精饰， 2011， 33( 12) : 9-14．

［4］ 郭忠诚，杨显万． 电沉积多功能复合材料的理论与实践［M］． 北京: 冶金工业出版社， 2002: 3-14．

信息工程学院 材料系 材料科学与工程专业 王吉锋 制 5

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