高密度纳米孪晶镍镀层的制备及其腐蚀机理研究

近年来各国学者研究发现孪晶化或纳米化均能显著提高易钝化金属或合金的耐局部腐蚀性能。可以设想若能实现一种材料同时具有纳米尺度的晶粒和孪晶结构，必将大大提高材料中的孪晶密度，这种材料极可能具有更为优异的耐腐蚀性能。本课题组的前期工作初步证实了这一想法。那么纳米孪晶镍的形成机理是什么？纳米孪晶结构是如何影响表面钝化膜生长、破坏和钝化膜结构性能（如厚度、缺陷密度及缺陷扩散性能等），进而影响材料腐蚀性能的？纳米孪晶尺寸、密度的变化对材料腐蚀性能有何影响，其机理是什么？这些问题构成了本项目的主要研究内容。在前期工作的基础上，弄清这些问题对丰富钝化膜理论、挖掘纳米孪晶镍在核电、化工等设施上的使用潜力具有重要的理论意义和应用价值。

本研究工作采用脉冲电镀技术成功制备了纳米孪晶镍（NT）镀层。采用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、极化曲线和电化学阻抗谱技术（EIS）等研究了纳米孪晶镍镀层的显微结构形貌和腐蚀性能。结果表明：高密度纳米孪晶的引入，明显提高了镀层的耐腐蚀性能。.利用X射线光电子能谱仪（XPS）、零电荷电位测试（pzfc）技术和计时安培法研究了纳米孪晶结构对镍表面生成的钝化膜的化学成分、氯离子吸附性能和钝化膜成核和生长机制的影响。结果表明，与工业电解镍（IE）相比，在纳米孪晶镍镀层上生成的钝化膜更完整，更致密，表面更不容易吸附氯离子；纳米孪晶结构没有改变钝化膜的形核方式，均为三维形核，但却使钝化膜平行生长速率增加。分别采用动电位极化曲线和电容测试技术研究了纳米孪晶结构对镍耐局部腐蚀性能及其钝化膜的半导体性能的影响。结果表明，与工业电解镍相比，纳米孪晶镍具有更优异的耐点蚀性能，表面钝化膜具有内层p型/外层n型的双层半导体结构。应用Mott-Schottky（M-S）关系和点缺陷模型（PDM）分析了钝化膜中的空位密度和空位扩散系数。结果表明，纳米孪晶结构降低了空位在钝化膜中的扩散速率，促使钝化膜生长地更薄更致密。.利用纳米压痕技术研究了纳米孪晶结构对镍纳米力学性能的影响。结果表明，纳米孪晶结构明显提高了镍表面钝化膜的硬度和弹性模量，使钝化膜不容易破裂形成点蚀，从而使纳米孪晶镍镀层的耐点蚀性能更加优异。.通过进一步细化晶粒，获得了晶粒尺寸仅为10nm左右，但无孪晶结构的镍镀层，与有孪晶结构的晶粒尺寸为100nm的试样相比，其耐蚀性能大幅度下降。为了探究这种反常的“尺寸效应”，将纳米镍镀层进行系列等温退火处理，获得不同晶粒尺寸和孪晶密度的试样，发现孪晶密度越高，沉积层的耐蚀性能越好，与纳米晶粒尺寸地关联性很小，揭示了孪晶结构是影响镍镀层耐蚀性能的主要因素。.项目研究进展正常，达到了预期的研究目的。