化學鍍鎳動態(tài)控制技術與應用　　

       化學鍍鎳（Electroless Plating Nickel-簡稱EN,也稱無電解鍍鎳或自催化鍍鎳）是1944年發(fā)現(xiàn)的。由于化學鍍鎳鍍層具有優(yōu)良的耐磨耐腐蝕性能，鍍層厚度均勻性好，同時廢液排放污染少。美國等發(fā)達國家已立法取締污染大的傳統(tǒng)電鍍鉻工藝，化學鍍鎳取代電鍍鉻成為了制造業(yè)新的技術與產(chǎn)品門檻，被認為是表面處理領域新的技術變革。國際上大規(guī)模工業(yè)應用在上世紀八十年代中期；國內(nèi)從九十年代中期才開始受到重視，應用初始主要以購買國外商品鍍液加工為主，也有一些以“書本”配方技術為基礎的家庭作坊式加工企業(yè)，技術含量低。

　　由于化學鍍鎳的基本原理是鍍液本身自催化化學反應沉積，溶液成分、反應條件都影響化學反應的過程與反應產(chǎn)物的穩(wěn)定性，次磷酸鹽也容易發(fā)生自分解，所以本項目中化學反應沉積是十分復雜的自催化化學反應過程，其實際化學反應方程式不能簡單地以單一方程式表示。同時溶液也可以發(fā)生自分解（溶液自身迅速反應消耗主鹽和還原劑，不沉積在被鍍工件上），如何確保有效沉積和連續(xù)穩(wěn)定沉積是十分關鍵的和困難的。國外雖然有很多成熟的商品濃縮液，但國內(nèi)外公開的技術資料主要是關于鍍液的基本配方和鍍層的性能特點方面，溶液的動態(tài)控制與工業(yè)連續(xù)化技術都是商業(yè)機密，國內(nèi)外都沒有這方面的文獻資料可以參考，國外技術封鎖嚴密。

　　本項目以自催化原理為理論核心，提出了動態(tài)熱力學與動力學控制的學術思路，開展了不同體系化學鍍鎳工藝動態(tài)控制與周期性維護技術研究，在此基礎上對其進行了二次技術創(chuàng)新，研究開發(fā)了多種材料表面改性技術和新材料制備技術，成功解決了上述技術在應用推廣及產(chǎn)業(yè)化過程中的關鍵技術問題，并實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應用。

　　提出了“化學沉積動態(tài)熱力學與動力學控制”的學術思路，研制的化學鍍鎳動態(tài)控制技術工藝穩(wěn)定性和使用壽命明顯優(yōu)于國外同類技術水平，在國內(nèi)獲得大規(guī)模推廣應用，推動了行業(yè)的科技進步：

　　（l）本項目在缺少參考文獻資料的基礎上，采用科學的研究方法獨立系統(tǒng)地研究了化學鍍鎳動態(tài)控制與維護技術的相關科學基礎，實現(xiàn)了鍍液性能穩(wěn)定性和鍍層性能的穩(wěn)定性控制，延長了鍍液的使用周期和壽命，有效降低了化學鍍鎳的綜合成本，推動了國內(nèi)化學鍍鎳的工業(yè)應用，多項技術產(chǎn)品填補國內(nèi)空白。項目《化學鍍鎳動態(tài)維護與應用技術》2007年獲得中國腐蝕與防護學會科技進步獎一等獎。

　　（2）研究開發(fā)了適合鎂合金基材的化學鍍鎳工藝技術，提出了直接化學鍍的氟化物膜保護與結合機制，研究發(fā)明了多種化學鍍鎳的溶液配方與工藝。通過化學鍍鎳層與堿性Zn-Ni電鍍層的組合還可以使鍍層耐蝕性得到大幅度的提高，這種鍍層組合可以承受1000hr以上的鹽霧腐蝕。與傳統(tǒng)工藝相比，鎂合金表面直接化學鍍鎳工藝簡單，可以實現(xiàn)規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)。已在魚雷活塞、單兵作戰(zhàn)電子儀器散熱板和航空航天等國防裝備上獲得了成功應用，同時在鎂合金輪轂、手機外殼、手機屏蔽罩等鎂合金基材上開展了中試應用開發(fā)。

　　（3）在湖南科力遠新能源股份有限公司鐘發(fā)平教授的帶領下，首次在國內(nèi)將化學鍍鎳應用于泡沫鎳的連續(xù)化生產(chǎn)，自主成功研發(fā)連續(xù)化帶狀泡沫鎳（鎳氫電池的關鍵材料），打破了西方國家在該領域對我國的技術封鎖和市場壟斷，推動了中國鎳電池生產(chǎn)企業(yè)電極生產(chǎn)的拉漿工藝從間斷到連續(xù)的技術進步，同時也改變了全球泡沫鎳生產(chǎn)供應的格局。《高強度超強結合力型泡沫鎳》項目獲得2001年湖南省科技進步一等獎。

　　（4）以化學鍍鎳動態(tài)控制技術為基礎，創(chuàng)新性地開展了以次磷酸鈉為還原劑的化學鍍銅動態(tài)控制維護技術的研究，實現(xiàn)了化學鍍銅的穩(wěn)定、連續(xù)化沉積。首次運用以次磷酸鈉為還原劑的化學鍍銅工藝和化學鍍鎳組合，實現(xiàn)了優(yōu)異性能的電磁屏蔽用柔性導電布的連續(xù)化生產(chǎn)。采用本項技術生產(chǎn)的導電布具有小于0.05Ω的表面電阻，屏蔽效能（SB）能在10M-20GHz的頻率范圍內(nèi)均可達到70dB以上、具有很好的耐腐蝕、抗氧和耐熱能力，使用壽命長，導電布的多數(shù)性能指標達到或超過國外同類產(chǎn)品先進水平。

　　研究開發(fā)了耐磨減摩復合化學復合沉積制備技術，滿足了不同工況條件下關鍵機械零部件摩擦磨損性能的需求；首次成功制備了納米粒子分布均勻的AL2O3/Ni-P、SIC/Ni-P化學復合鍍層，發(fā)明了納米粒子降低鎳-磷合金鍍層熱處理晶化溫度的方法：

　　利用化學鍍鎳-磷合金的工藝特點（均勻性好、結合力好）和性能特點（耐磨耐腐蝕），可以實現(xiàn)關鍵機械零部件表面的精密均勻鍍覆和耐磨耐腐蝕一體化綜合防護。但工業(yè)上不同的工況條件對零部件的摩擦磨損性能提出了不同的需求，通過選擇自潤滑固體顆粒（如聚四氟乙烯PTFE、石墨Gr）或陶瓷硬質顆粒（如納米或微米級陶瓷顆粒）與鎳-磷合金復合改性，可以對鍍層的耐磨減摩性能進行設計。

　　（1）納米材料和納米結構是近年來的科技熱點，納米粒子具有小尺寸效應和表面效應等特性，但傳統(tǒng)的物理冶金方法很難解決納米顆粒分散和界面高溫化學反應等關鍵問題。本研究采用化學復合鍍的方法成功制備了納米顆粒分布均勻、界面結合良好的表面復合材料，顯著提高了鍍層的硬度和耐磨性；同時在國內(nèi)外首次發(fā)現(xiàn)納米粒子的加入明顯降低了鎳-磷合金鍍層的熱處理晶化溫度。納米粒子對鍍層晶化溫度的降低具有很大的實際意義，一方面，降低熱處理溫度可以降低能耗，減少工件變形，特別是對于輕合金產(chǎn)品、高精度產(chǎn)品尤為關鍵；另一方面，鎳-磷合金鍍層常規(guī)的熱處理溫度在280~400℃，鍍層表面發(fā)生氧化變色，影響外觀，納米粒子的加入能將晶化溫度降低到230℃左右（時間8小時），鍍層表面顏色不發(fā)生變化。

　　（2）通過采用有效的表面活性劑和共沉積促進劑成功地實現(xiàn)了SIC顆粒、聚四氟乙烯粉末或石墨與化學鍍鎳-磷合金的均勻復合，獲得了具有良好耐磨或減摩性能的鎳基表面復合材料，Ni-P/PTFE復合鍍層的摩擦系數(shù)最低達到0.1;通過表面活性劑的篩選和復配，制備了增強顆粒分布均勻的Ni-P/（PTFE+SIC）和Ni-P/（Gr+SIC）雙相粒子的化學復合鍍層，系統(tǒng)研究了各種復合化學鍍層在不同工況條件下的摩擦磨損性能，揭示了雙相粒子的摩擦磨損協(xié)同機制；結合化學鍍鎳動態(tài)控制與維護技術，實現(xiàn)了化學復合鍍技術的連續(xù)穩(wěn)定制備。

　　（3）研究開發(fā)的關鍵機械零部件耐磨減摩復合鍍層制備技術在航空航天、無油潤滑工業(yè)縫紉機、自潤滑滑動軸承、塑料模具等領域得到了廣泛應用，填補國內(nèi)多項技術產(chǎn)品空白。耐磨減摩表面復合技術的研制對減少機械零部件的磨損和提升我國機械裝備的技術水平具有重要的經(jīng)濟社會意義。項目《關鍵機械零部件耐磨減摩復合鍍層制備技術及具應用》獲得2007年上海市科學技術獎一等獎。

　　提出“前軀體自催化組裝制備超細空心金屬（合金）粉體”的研究新思路，揭示了動態(tài)控制形成過程與機理，制備了形態(tài)結構可控的超細空心金屬鎳粉，對特種功能材料或微納器件的制備與應用具有重要價值：

　　空心結構的金屬粉末由于其特殊的結構，在化學、光學、電磁學和生物技術等方面表現(xiàn)出一些新穎的特性。目前制備空心結構粉末的方法大多為模板法，生產(chǎn)效率低、模板去除因難、成本高。本項目提出了前軀體自催化組裝制備具有空心結構的超細（或納米）金屬鎳粉體材料的新方法（ZL200510024798.4）。

　　（l）揭示了自催化還原制備具有空心結構超細（納米）金屬鎳粉的形成過程與機理【Mater.Reseorch Bull.,2005,40（10）：1864-1870】，Ni（OH）2膠核作為模板，同時也作為反應物參與還原反應并不斷分解，最終形成具有空心結構的超細鎳球；提出了自催化動態(tài)反應控制方法，獲得了空心鎳球粒度和形態(tài)結構控制的制備技術，可制備出具有超細或納米尺寸的空心結構、核-殼結構、表面蜂窩結構的鎳或鎳合金的金屬粉體和傳統(tǒng)的模板法（形態(tài)結構主要由模板決定）相比，實現(xiàn)了空心粉末形態(tài)結構的多樣化；

　　（2）發(fā)現(xiàn)了空心金屬鎳球粉末具有明顯的超順磁性和介電譜共振效應現(xiàn)象；發(fā)明了一種鍍覆納米蜂窩狀金屬鉆鍍層的方法【ZL200510110672.9】，進一步提高了空心金屬鎳球粉末的電磁特性；研究并發(fā)現(xiàn)空心鎳球與鈷改性鎳球具有良好的微波吸收性能；

　　（3）在自催化還原制備超細空心金屬鎳球的基礎上，提出了運用Ni（OH）2前驅體在水溶液中催化還原制備納米空心材料的方法，成功制備了納米空心鎳線和穿孔鎳球，進一步拓展了自催化還原制備具有空心結構的新型材料或器件的技術應用領域；

　　（4）該方法制備工藝簡單，成本低廉（成本和普通金屬鎳粉相當），易實現(xiàn)批量制備，彌補了傳統(tǒng)方法的不足。采用本創(chuàng)新技術制備的超細空心鎳球具有優(yōu)異的微波吸收性能，可望為制備輕質寬頻的微波吸收涂層提供新的吸收劑；超細空心鎳球、納米空心鎳線和穿孔鎳球等有望在納米器件、生化載體、催化劑載體等其他特種功能材料領域得到應用。