第1章 电沉积的基本知识

1.1 电沉积概述

表面工程是材料科学与制造工程的一个重要方向。通过电沉积技术实现工程零部件或材料基体表面功能镀（涂）覆，是表面工程的一个发展路径。它不仅是单纯的表面处理，还是通过表面涂覆或表面改性来改变基体表面的形态、化学成分、组织结构，使基体的局部或整个表面的物理和化学性能得到提高，进而赋予或提升了基体的功能特性，如提高耐磨性、耐蚀性，改善表面的导热性、导电性、电磁屏蔽性，提高或降低表面的摩擦系数等。功能镀（涂）覆最大的优势是能够以各种方法制备出优于基体材料性能的表面功能薄层，该薄层厚度一般从几十微米到几毫米，仅占工件整体厚度的几百分之一到几十分之一，却赋予了基体表面新的力学、热学、光学、电磁学和物理化学方面的功能，单金属电沉积、合金电沉积和复合电沉积等表面技术都能给镀层以功能特性[1-3]。

功能镀（涂）层材料的设计和应用开发迅速得到扩展，相关研究主要集中在纳米颗粒对涂覆层的功能改性、材料表面的纳米晶化、纳米减摩原位动态修复、功能镀（涂）层的制备技术等领域[4-7]。

电沉积是制备高度致密的功能镀（涂）层材料的最有前途的方法之一，通过控制工艺条件（如电解液组成，pH，沉积温度，阴极电流密度，阴、阳极面积和间距，使用合适的添加剂等）可以获得纳米晶镀层。现代纳米技术与传统的电化学沉积、脉冲电沉积等镀（涂）层制备技术相结合，已研究和开发了许多有特殊属性的功能镀（涂）层[8-12]。

“电沉积”在工业上称为“电镀”，利用电解原理使金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中沉积出来，在导电体表面镀上一层金属或合金。一般镀层金属在阳极，待镀物质在阴极，阴、阳极与镀层金属的阳离子组成的电解质溶液相连，接通电源后，阳极的金属发生氧化反应（失去电子），溶液中的金属阳离子则在阴极发生还原反应（得到电子），并均匀镀覆在阴极表面。电沉积是金属电解冶炼、电解精炼、电镀和电铸过程的基础。

电沉积过程可分为两个阶段：第一阶段为离子从电解液中输送到电极表面并放电，在近代电结晶理论中，离子放电可在晶面上任何地点发生，先是形成吸附离子，然后在表面扩散，直至生长点后长入晶格，生长点一般为表面缺陷；第二阶段是原子进入晶格和晶体的生长。电沉积过程的复杂性既与晶体表面的不均匀性有关，又与形成新相有关，离子放电步骤与新相生成步骤间存在表面扩散步骤。

当电沉积发生在理想的平滑表面时，结晶过电位与形成晶胚有关，金属的晶核由为数不多的配置在同一平面上的原子（二维晶核）或相互重叠的原子（三维晶核）所组成。晶核的形成概率W与过电位ηk有如下关系

式中，B、b为常数。

由式（1-1）可知：结晶过电位ηk越高，晶核的形成概率W 越大，形成的晶核数目就越多，晶核尺寸随之变小，所得镀层组织结构就越细小致密。电沉积过程是在一定的电解质溶液中和一定的工艺条件下进行的，金属电沉积的难易程度以及沉积层的形态与沉积金属的性质有关，也与电解液的组成、pH、沉积温度、阴极电流密度等工艺因素有关[2，13-14]。