与电镀镍相比,化学镀镍是一种比较新的表面处理工艺。最早的以次亚磷酸盐作为还原剂进行化学镀镍沉积的报道是1844年的A.wurtZ[17]。他发现,当次亚磷酸镍水溶液加热至100℃时,有部分金属镍还原析出。1911年P.Berteua研究此反应为自身催化反应,而且反应产物中有磷的成分。1920年L.Frederihc观察了镍盐与次亚磷酸钠在把触媒存在与不存在时的反应;同期(l916年12月),法国F.A.Ruox研究了镍在柠檬酸按促进下,在金属表面(尤其是铝金属面)的沉积,并获得了美国专利(编号1,207,218)。22447
1946至1947年间,在美国国家标准局工作的A. Brenner和G.Riddell[18],为了研究钢铁镀镍的去极剂,在使用不溶性内部阳极做镍钨合金管内面电镀时,发现了次亚磷酸钠异乎寻常的还原能力,这使电镀的电流效率超过了100%,因此获得了美国专利(编号为2,532,283(1950)),从此化学镀镍的实用价值引起了工业界的关注。1947年,通过美国运输公司(General American Transportation corporation)的工程部,为了降低运送浓氢氧化钠(72mass%)槽车内部衬里的制造成本,降低镀层孔隙度,延长槽车衬里的使用寿命,建议使用无电镀镍。于是1948年初正式研究工作开始,试验工业化生产的可行性,并在1952年8月成立试验工厂。1953年末建立两座大型生产工厂,该公司开发出来的专利产品,注册商标为Kanigen(是Katalytic Nickel Generation的缩写)。经过该公司大力推动和工业界的不断改良,无电镀镍技术取得了不少专利。这样,Brnener与Riddell是公认无电镀镍的发明者,而美国运输公司则是工业界第一家应用此技术的厂商。
在以次亚磷酸盐作为还原剂,进行化学镀镍沉积的过程中,还伴随有磷原子的共沉积。化学镀镍层中的磷原子都是次亚磷酸盐的还原的产物[19]。目前这一伴生反应的机理尚不清楚[20]。人们主要还是从电化学和催化化学的角度来研究这一问题。从电化学的角度来看,主要来自于对电镀Ni-P合金研究的认识[21]。在电镀Ni-P合金中,磷析出的机理主要包括两种,即直接机理和间接机理。两种机理都认为次亚磷酸盐中磷原子直接得到电子而被还原。催化机理认为,在具有催化的镍表面上,次亚磷酸盐中P-H键断裂形成了氢自由基。这些自由基在还原镍盐的同时,也可以还原次亚磷酸盐。而两种机理都认为只有在镍物种存在时才可以诱导这一反应的进行。实验结果表明,镀层中的磷含量随着pH值的升高而降低。同时,当硫酸镍和次亚磷酸盐的浓度比增加时,镀层中磷的含量也会降低。但是,镀液中的络合剂对化学镀镍层中磷含量的影响,及如何从化学镀镍机理的角度来解释这些实验现象很少有文献报道。
目前只有日本早稻田大学的Homma教授利用量子化学方法(MP2)计算了化学镀镍的过程。他在Vnaden Meearkker提出的反应机理的假设情况下计算了以次亚磷酸盐(H2PO2-)、二甲基硼烷(NH(CH3)2BH3)、氯化钦(TiCl3)和甲醛(CH2(OH)O-)作为还原剂的可能氧化路径。另外还采用鹰势算法讨论了不同构型的次亚磷酸在四元把簇上的吸附能量和在多元把簇、铜簇和镍簇表面上的吸附能量,从而确定了能量最低的构型和能量最低的基体。但是,这些研究并没有考虑化学镀镍过程中还原剂的可能还原路径,如次亚磷酸盐的还原过程。另外计算过程中也没有考虑反应中两个中间体之间的过渡态。可见,目前国内外对次亚磷酸盐还原机理的研究还处于探索阶段。论文网
国内外发展趋势
国内外有关专家普遍看好化学镀镍的发展前景。总的来说,在不远的将来计算机硬盘化学镀镍仍将是化学镀镍的最大市场。化学镀镍在电子工业、轻金属(镁、铝)防护方面将有重要增长,在油田,采矿和化工工业保持稳定,而在汽车工业发展潜力很大。当然,与先进国家相比,我国在化学镀镍的工艺、设备规模、和镀层质量等方面都还有很大的差距,不少同行对此持有相同看法,需要我们同行齐心协力,共商良策,迎头赶上。目前,化学镀镍在难镀基材方面的工艺尚有待改进,轻金属的无孔隙薄镀层仍面临挑战,较薄的镀层意着成本降低、生产率提高、化学试剂消耗减少,最后将赢得化学镀镍的更大市场。随着环保要求的进一步严格,一方面由于镀铬受到限制而给化学镀镍的取而代之提供机遇;另一方面降低污染,延长镀液使用寿命,降低成本仍然是化学镀镍同行面临的一项长期任务。随着电子、计算机和通信等高科技产业的迅猛发展,为化学镀镍技术提供了巨大的市场,预期化学镀镍技术将会持续高速发展。为了满足更复杂工况的要求,化学复合镀、化学镀镍基多元合金、纳米化学镀等工艺逐渐发展起来。另外,实际情况的不断发展变化,要求化学镀镍技术也不断推陈出新,以满足更复杂和更苛刻的使用条件。
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