涂层制备方法

电镀的主要用途包括防止 金属氧化(如锈蚀) 以及进行装 饰。不少硬币的外层亦为电镀。
电镀产生的污水（如失去效用的电解质）是水污染的重要来 源，电镀工艺已经被广泛的使用在半导体及微电子部件引线框架 的工艺。
2.1 电镀
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2.1.1 电镀的分类
电镀根据镀层的功能分为防护性镀层、装饰性镀层 及其他功能性镀层；根据镀层的种类分为合金电镀、单 金属电镀、单层电镀、多层组合电镀及复合电镀。
2.2 溶胶胶凝法
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溶胶-凝胶法具有许多优点，如下：
工艺简单， 不需要昂贵 的设备。
化学计量准确， 易于改性，掺 杂的范围宽。
反应温度低， 反应过程易于 控制，制品的 均匀度、纯度 高。
从同一种原料 出发，改变工 艺过程即可获 得不同的产品， 如粉末、薄膜、 纤维等。
溶胶-凝胶法仍然存在着需要注意的缺点： （1）所用原料多为有机化合物，成本较高，有些对健康有害。 （2）处理过程时间较长，制品易产生开裂。 （3）若烧成不够完善，制品中会残留细孔及OH-或C，后者使制品带黑色。
2.8 表面粘涂技术
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表面粘涂技术分类主要由粘涂材料决定，粘涂材料按用途可分 为填料涂层、密封堵漏涂层、耐蚀涂层、耐磨涂层、耐温涂层以及 特殊涂层。
粘涂技术的基本方法
料浆法是将涂层材料制成符合一定 要求的粉料后与溶剂混合制成浆，加入 适当的分散剂和粘结剂，经充分搅拌后 涂刷于基体材料表或将基体浸渍于料浆 中形成涂层，在一定温度下烘干后于高 温惰性气体气氛下进行热处理。
（5）工艺上可实现连续生产和近 净成形工艺，能与铸造工艺结合， 直接制造出形状复杂、尺寸变化大 是近终形产品。
2.5 热喷涂
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利用某种热源把细微而分散的金属和非金属喷涂材料加热到熔化 或半熔化状态，并高速喷向基体材料的表面，而形成各种所需的涂 料的一种技术。这种喷涂工艺几乎可以喷涂所有的工程材料，如硬 质合金、陶瓷、金属、石墨和金属陶瓷。
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01 涂层的概述
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涂层技术是采用化学的、物理的方法改变材料或工
件表面的化学成分或组织结构以提高机器零件或材料性
能的一类处理技术。
这些用以强化零件
它包括表面涂
或材料表面的技术，
层(低压等离
赋予零件耐高温、
子喷涂、低压
防腐蚀、耐磨损、
电弧喷涂、激 光重熔复合等 薄膜镀层、物
技
作
术
用
金属盐在水中的性
质受金属离子半径、 电负性、配位数等因 素影响，如Si、Al盐， 它们溶解于纯水中常 电离出Mn+，并溶剂化。
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聚合反应：－M－OH + HO－M－ → －M－O －M－+H2O－M－OR + HO－M－ → －M－O－ M－+ROH
硅、磷、硼以及许多金
属元素，如铝、钛、铁等 的醇盐或无机盐在水解的 同时均会发生聚合反应， 如失水、失醇、缩聚、醇 氧化、氧化、氢氧桥键合 等都属于聚合反应。
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2.2 化学镀
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2.2.2 化学镀的特点
工艺简单，适应范
围广，不需要电源，
不需要制作阳极，
成品率高，成本
只要一般操作人员 均可操作。
低，溶液可循环
2 使用，副反应少。
4
1 镀层与基体的结合 强度好。无毒，有 利于环保。
3 投资少，数百 元设备即可， 见效快。
化学镀技术是比电镀技术更年轻的表面覆盖技术，正 是由于化学镀技术的发展才使印刷线路板、计算机软盘和 塑料电镀以及非金属表面金属化成为可能。
2.3 溶胶胶凝法
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溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后 经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶， 进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳 米粒子和所需要材料。
水解反应：M(OR)n + H2O → M (OH) x (OR)n－x + xROH
热喷涂的原理
图1.3：热喷涂技术原理图
2.5 热喷涂
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热喷涂的特点
容易对产品进行局 部强化或改性。
调整涂层成分比较 容易。
不受工件尺寸和施 工场所的限制。
方便维修， 适合多种 基材。
沉积效率 较高。
热喷涂的缺点有： （1）结合强度不大高。 （2）涂层含有空隙并且夹杂。 （3）热能利用率比较低。 （4）工作环境恶劣。
抗疲劳、防辐射、 导电、导磁等各种 新的特性。提高了
理气相沉积、
可靠性、延长了使
化学气相沉积
用寿命，具有很大
等)和非金属
的经济意义和推广
涂层技术等。
价值。
02 几种常见的涂层制备方法
2.1 电镀
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注意
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电镀是指在含有欲镀金属 的盐类溶液中，以被镀基体金 属为阴极，通过电解作用，使 镀液中欲镀金属的阳离子在基 体金属表面沉积出来，形成镀 层的一种表面处理方法。
2.7 气相沉积法
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利用气相中发生的物理、化学过程，在固体材料表面形成功能性 或装饰性的金属、非金属或化合物覆盖层的工艺。
气相沉积法的分类
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1.物理气相沉积法 （PVD）是用物理的 方法（如蒸发、溅射 等）使镀层材料气化， 在基体表面沉积成膜 的方法。
2.化学气相沉积法 （CVD）是利用气态 物质在固体表面进行 活血反应，生成固态 沉积物的过程。
镀层大多是单一金属或合金，如钛钯、 锌、镉、金或黄铜、青铜等；也有弥散层， 如镍-碳化硅、镍-氟化石墨等；还有覆合层， 如钢上的铜-镍-铬层、钢上的银-铟层等。电 镀的基体材料除铁基的铸铁、钢和不锈钢外， 还有非铁金属，或ABS塑料、聚丙烯、聚砜和 酚醛塑料，但塑料电镀前，必须经过特殊的 活化和敏化处理。
等离子体喷涂的优点： （1）基体受热小。 （2）能够喷涂的材料广泛。 （3）工艺稳定，涂层质量高。 等离子体缺点： （1）一次性投资较多。 （2）需高纯度的氮气或氩气。 （3）需加强安全防护措施。
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2.5 热喷涂
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2.超音速火焰喷涂： 超音速火焰喷涂时火焰喷涂技术最新成果，燃气和氧气以较高压
它有四个基本过程， 分别为渗剂介质的化学反 应，活性组分向表面扩散， 相界面反应以及产生新相。
图1.6：化学热处理过程
2.6 化学热处理
04
化学热处理的基本方法
介绍其中一种方法：包埋法。 包埋法是将基体材料包埋于几种固体混合粉料中，然后在一定
温度下热处理，是混合粉料与试样表面发生化学反应而形成涂层
3.等离子增强化学气相沉 积(PCVD)是借助于气体辉 光放电产生的低温等离子
体增加了反应物质的化学 活性,从而在低温下也能在 基片上形成新的固体膜,这 就突破了CVD只能在高温 制膜的局限。
2.7 气相沉积法
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化学气相沉积（CVD）
基本原理：在一定温度下通过化学反应生成的固态物质在基体表 面沉积形成涂层或薄膜材料。
2.1 电镀
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工作原理
图1.1：电镀原理图
可以看出，电镀原理包含四个方面：电镀液、电镀反 应、电极与反应原理、金属的电沉积过程。
2.1 电镀
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具体工作原理：
电镀反应中的电化学反应：被镀的零件为阴极，
与直流电源的负极相连，金属阳极与直流电源的正极 联结，阳极与阴均浸入镀液中。当在阴阳两极间施加 一定电位时，则在阴极发生如下反应：从镀液内部扩 散到电极和镀液界面的金属离子Mn+从阴极上获得n个 电子，还原成金属M。
2.2 化学镀
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2.2.1 化学镀技术的原理
化学镀技术的原理是：化学镀是一种不需要通电，依 据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的 溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面 形成致密镀层的方法。化学镀常用溶液：化学镀银、镀 镍、镀铜、镀钴、镀镍磷液、镀镍磷硼液等。
实例：
化学镀镍是利用镍盐溶液在强还原剂次亚磷酸钠的作 用下，使镍离子还原成金属镍，同 时次亚磷酸盐解析出磷，因而在具 有催化表面的镀件上，获得Ni-P合 金镀层。化学镀镍层实际上是含有 3~15%磷的镍磷合金。
节约贵重材 料。
基体材料 的热影响 小。
2.5 热喷涂
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几种常见的热喷涂方法
1.等离子喷涂： 等离子喷涂是由等离子喷枪产生等离子焰流来进行的，是在工作
气体电离后将粉末用载气送进高温等离子焰流中，形成涂层。具有温 度高，能量集中，弧稳定性好等特点。
图1.4：等离子喷涂
2.5 热喷涂
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首先在阴极和阳极（喷嘴）之间产生一直流电弧，该电弧把导入的工作气体 加热电离成高温等离子体，并从喷嘴喷出，形成等离子焰，等离子焰的温度很 高，其中心温度可达30000K，喷嘴出口的温度可达15000~20000K。焰流速度 在喷嘴出口处可达1000~2000m/s，但迅速衰减。粉末由送粉气送入火焰中被熔 化，并由焰流加速得到高于150m/s的速度，喷射到基体材料上形成涂层。
CVD法制备涂层的关键工艺在于以下4个方面： 反应速率及产物的选择；基体准备；反应物质化学反应生成涂层；
涂层热处理或后处理。 CVD法可分为常压化学气相沉积（NPCVD）、低压化学气相沉积 （LPCVD）、激光化学气相沉积（LCVD）及金属有机物化学气相沉 积（MOCVD）。
CVD法的优点： （1）利用CVD 法所获得的涂层和化学成分可控。 （2）涂层和基体结合牢固。 （3）在相对较低的温度下，可沉积多种元素和化学物涂层，可使 基体材料避免高温处理而造成的缺陷或力学性损伤。 （4）可在常压或低真空下工作。镀膜的绕射性好，形状复杂的工 件或工件中的深孔、细孔都能均匀镀膜。
在阳极则发生与阴极完全相反的反应，即阳极界 面上发生金属M的溶解，释放n个电子生成金属离子 Mn+。
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2.1 电镀
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2.1.3 未来电镀技术研究与开发重点
更广泛的应用各种电流、超声 以及各种其他物理机械作用。
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研究、开发应用新型非水镀液 ---熔盐。
更广泛研究、应用新的镀层。
研究、发展和应用清洁电镀技术。
优点是涂层工艺较为简单，涂层的 厚度较易控制。
缺点是涂层与基体材料的结合性较 差，涂层的抗热性差，涂层的致密性较 难达到要求
包埋法的优点：
（1）过程简单， 只需要一个单一 过程就可以致密 的涂层。
（2）涂层制备 前后基体材料 尺寸变化很小。
（3）涂层和基 体间能形成一 定的成分梯度， 涂层与基体的 结合较好。
包埋法的缺点： （1）高温下容易发生化学反应使纤维受损，从而影响C/C基体的机械性能。 （2）涂层的均匀性很难控制，往往由于重力等因素而使得涂层上下不均匀。
涂层的制备方法
CONTENTS
01 涂层的概述
02 几种常见的涂层 制备方法
03 新型的涂层制备 方法
04 展望
01 涂层的概述
01 涂层的概述 1.1 涂层的定义
01
涂层是涂料一次施涂所得到的固态 连续膜，是为了防护，绝缘，装饰等目 的，涂布于金属，织物，塑料等基体上 的塑料薄层。涂料可以为气态、液态、 固态，通常根据需要喷涂的基质决定涂 料的种类和状态。
此种方法广泛应用于玻璃、陶瓷、高超导材料、纳米材料及各种复合材料 的制备。
2.4 原位合成工艺
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原位合成工艺是在一定条件下，通过元素和元素之
间的物理化学反应（置换反应、氧化还原反应、相变、
成核和结晶、化合和分解反应等），在基体表面原位形
成一种或多种高强度、高硬度的增强颗粒，从而起到强
化基体的作用。
力和流量送入喷枪，混合气体燃烧后产生射流，其速度一般在M2以 上，最高可达M7。
图1.5：超音速火焰喷涂
2.5 热喷涂
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超音速火焰喷涂的优点：
（1）高速火焰连续燃烧，粉末颗粒在焰流中的加热时间较长，颗 粒可均匀熔化。
（2）由于颗粒高速飞行，与周围大气接触时间极短，与大气几乎 不发生任何反应，喷涂材料未受到损害，最大程度上保持原始涂层 材料的大部分特征。
图1.2：原位合成工艺
2.4 原位合成工艺
特点
01 02 03 04 05
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（1）避免了与基体相容性不良的 问题，且界面结合强度高。
（2）不易出现增强相的团聚或偏 析，生成颗粒细小。
（3）工艺简单，成本较低。
（4）在保证材料具有较好韧性和 高温性能的同时，可较大幅度地提 高材料的强度和弹性模量。
超音速火焰喷涂的缺点： 相较于一般火焰喷涂，喷涂设备复杂且昂贵。
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2.6 化学热处理
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化学热处理是指将金属或合金工件置于一定温度的活性介质中保 温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分、组织和性 能的热处理工艺。
化学热处理的分类
根据工艺科分为固体法、液体法、气体法及离子轰击法。 根据渗入元素可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗铬及碳氮共渗、铬铝共渗。 根据能源可分为离子渗氮、高频渗碳、电解渗硼及激光合金化。