电沉积纳米晶制备核-壳结构粉体机理及粉体电镀的研究

This project focuses on the fabrication of nanocrystal coatings on the surface of powders by electrodeposition. The goal is to understand the mechanism of the formation of core-shell structures of composite powders in the processes of electrodepositing copper, nickel and cobalt on graphite (light powders), tungsten, and tungsten carbide (heavy powders) powders. The dispersibility of metal coated powders, the current efficiency of electrodeposition, and the dynamic mechanism of hydrogen evolution will also be explored. The composition of the electrolyte and the dispersing behavior of conducting powders in the electrolyte will be examined for controlling the coating composition, grain structure and grain size. The metals will be effectively deposited on the surface of powders, not on the negative plate since hydrogen gas is evolved under large current density. Agglomeration of powders will be avoided by effective stirring. Electrons are acquired on the powders by continuous collision or contact of powders on the negative plate, leading to the deposition of the metal on the surface of powders to form nanocrystal coating. Factors controlling the electroplating processes on negative plate will be revealed. Insights into the electrochemical deposition processes will be gained, which will be useful for large-scale production of advanced metal coated composite powders.

本项目采用电沉积的方法在粉体表面形成纳米晶镀层，制备金属包覆的复合粉体材料。研究的目的是阐明在石墨粉体（轻质粉体）、钨粉和碳化钨粉（重质粉体）上电沉积金属铜、镍或钴，制备核壳结构的粉体复合材料的机理。研究金属包覆产品的分散性能，研究电沉积的电流效率和析氢动力学机理。揭示粉体表面电沉积纳米晶镀层的沉积规律。研究电解液的组成和导电粉体在镀液中的分散行为。通过控制电流、电压、电解液组分及其它参数，来提高成核的密度和控制镀层的组分、晶粒组织、晶粒大小。通过在大电流密度下电沉积产生析氢反应，有效控制金属沉积在粉体表面，而不粘附电极。通过合适的搅拌方式防止粉体团聚和结块。通过粉体与阴极的不断碰撞和接触获得电子，置换溶液中的金属离子，还原成金属沉积在粉体表面形成纳米晶镀层。本项目的研究能揭示粉体与阴极板碰撞沉积电镀的新规律，为大批量生产先进的金属包覆复合材料提供相应的电化学理论基础。

纳米晶镀层与粉体基底有良好的润湿性能和较低的熔点，有利于复合材料的烧结和压制。纳米晶复合粉体材料独特的优势将广泛应用于各行各业，能在核电、军工等高科技尖端技术领域获得应用，有广阔的市场需求。然而, 化学镀制备金属包覆复合材料的生产成本很高，镀层包覆薄，金属含量低，产品不纯。本项目研究在石墨粉、钨粉、碳化钨粉，金刚石粉表面上镀铜、镍和钴等金属，研究在这些粉体表面的电沉积制备核壳结构的粉体复合材料的机理与工艺。.研究表明，搅拌与电沉积交替进行，使得复合粉体有效分散到镀液中，同时镀上金属的那部分面由于重心下移会沉降到下面与阴极接触，而未镀上的部分则会背离阴极面向溶液，使未镀上金属的部分获得最先沉积，得到均匀镀覆金属的复合粉体，解决了粉体与金属共沉积时在阴极板表面的粘连。石墨粉体镀镍30分钟，可以获得镍含量超过60 %的镍包石墨复合粉体。碳化钨粉镀钴12 min，能够获得钴含量为54%的钴包碳化钨复合粉体。硝酸银是电沉积镍包金刚石粉体的良好活化剂，镍在金刚石颗粒表面（111）晶面取向生长，使金刚石砂轮的力学性能和摩擦学性能得到明显改善。镍在钨(111)晶面上可以获得100%的包覆率，而镍在钨(001)晶面上只能获得58.5%包覆率。在高电流密度下，铜能瞬时成核，有利于制备致密、均匀的W@Cu粉。次磷酸盐可以降低铜在石墨颗粒表面沉积的超电势，加速铜的成核。晶体结构的形成必须克服一个能量势垒，随着沉积电势的增加，沉积在钨粉上的铁纳米颗粒可以由无定形逐渐转变为晶态，在较高的电压下在钨粉的表面也能出现高温下存在的γ-铁相镀层。.通过该项目的研究，提出了在活动阴极粉体上电沉积纳米晶制备金属包覆复合粉体的方法，揭示了大电流沉积金属在粉体表面上成核生长机理，开发了粉体电镀的新技术，为工业上制备优质的金属包覆粉体复合材料提供重要的理论基础。