镁锂合金表面高红外发射率高导电率膜层的制备及其性能研究

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镁锂(Mg-Li)合金作为世界上最轻的金属结构材料,在比刚度和比强度上也具有显著优势,正逐渐替代铝合金成为宇航产品机壳类材料的首选合金。随着宇航产品功能及性能要求的不断提高,宇航电子产品的机壳必须同时具有高的导电性和高的红外发射率以满足对其热控以及电磁屏蔽性能的要求。大量研究成果表明高红外发射率膜层一般具有良好的绝缘性能,而高导电率金属膜层红外发射率较低,难以同时实现高红外发射率与高导电率的性能要求。本文从Ni和Zn-Ni膜层表面微结构着手,利用氢气泡模板法制备出多孔结构的Ni和Zn-Ni合金膜层,并对其多孔结构进行调控与设计,使金属膜层同时具有高导电率和高红外发射率性能,最后采用适当的前处理工艺在Mg-Li合金表面制备出高红外发射率高导电率的多孔Ni和Zn-Ni合金膜层。系统地研究了氢气泡模板法电沉积多孔膜层的工艺参数和沉积机理,阐明了膜层多孔结构与红外发射率之间的关系。主要研究成果如下:1.通过优化Mg-Li合金表面前处理工艺,制备出高耐蚀性的底层(N i-P膜层)和中间层(Cu膜层),使Mg-Li合金具有良好的耐蚀性,24h盐雾试验后腐蚀等级≥9级,为后续多孔Ni膜层和Zn-Ni膜层奠定坚实的基础。2.通过时域有限差分(FDTD,Finite-Difference-Time-Domain)软件对多孔N i膜层的红外发射率进行模拟计算,计算结果表明,多孔结构的存在有利于提高膜层的发射率,并且随着孔径(?)、孔深度h和孔投影面积比(?)的增加,膜层的红外发射率(?)明显提高,当孔径(?)与孔深度h为20(?)m时,红外发射性能最佳。3.在以氯化镍作为主盐的水溶液中采用氢气泡模板法电沉积Ni膜层的研究结果表明,随着其浓度从0.1M增加到0.3M,多孔Ni膜层平均孔径(?)从7.4(?)m降低到3.5(?)m,孔投影面积比(?)从0.28降低到0.03,红外发射率(?)从0.75降低0.13。氯化镍浓度的增加明显降低多孔Ni膜层孔径(?)和孔投影面积比(?),从而降低多孔Ni膜层的红外发射率(?)。4.当溶液中表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)浓度从0m M增加到2m M时,多孔Ni膜层平均孔径(?)从9.3(?)m增加至30.2(?)m,孔投影面积比(?)从0.20提高到0.38,红外发射率(?)从0.36增加到0.80。SDS的添加可明显提高电沉积过程中的氢气泡数量,提高多孔Ni膜层孔径(?)、孔深度h、孔投影面积比(?)以及红外发射率(?)。电沉积多孔Ni膜层结构的红外发射率规律与FDTD计算模拟的结果一致。5.为了进一步提高多孔Ni膜层红外发射率(?),通过Zn元素合金化,电沉积多孔Zn-Ni合金膜层,膜层主要由Ni2Zn11相所组成。Zn盐的添加可以明显的增加多孔膜层的孔径(?)、孔深度h以及孔投影面积比(?),提高多孔膜层的红外发射率(?),使红外发射率(?)最高可达0.89;但是,多孔Zn-Ni合金层内聚强度较弱,膜层易脱离基体表面。6.NH4SCN的添加增加了多孔膜层的连续骨架基质的内聚强度,同时膜层具有良好的膜/基结合强度,并且促进电沉积过程中阴极表面氢氧化物的形成,致使膜层中形成Zn O和Ni O相。同时NH4SCN的添加可以明显提高多孔Zn-N i膜层的孔投影面积比(?),可以使膜层的红外发射率(?)增加至0.91。7.微米陶瓷颗粒(Al2O3、Si O2和Ti O2)的添加可以有效抑制电沉积过程中氢气泡逃离阴极表面增加其作为动态模板的时间,电流密度从3A/cm~2降低到1A/cm~2仍可形成孔径均匀的多孔Zn-Ni复合合金膜层,其中Ti O2颗粒嵌入对镀层的红外发射率性能提高最大,可使红外发射率(?)从0.83增加到0.91。
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