電沉積的合金及其使用功率脈沖的制備方法技術(shù)

使用功率脈沖，例如電流脈沖，控制在非水性電解質(zhì)中電沉積的金屬和合金的結(jié)構(gòu)。使用含有不同類型脈沖的波形：陰極、停止時間和陽極脈沖，可定制這樣沉積的合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，例如晶粒大小、相組成、相疇尺寸、相排列或分布和表面形態(tài)。此外，這些合金呈現(xiàn)優(yōu)良的宏觀機械性質(zhì)，例如強度、硬度、延展性和密度。波形整形方法可產(chǎn)生鋁合金，該鋁合金與鋼同等的硬(約5Gpa)和同樣可延展(約13%斷裂伸長率)然而與鋁幾乎同樣輕；或者，換句話說，比鋁合金硬，然而在類似的延展性下比鋼輕。已使Al-Mn合金產(chǎn)生這種強度與重量的比率。使用電流波形的整形，可控制另外的性質(zhì)。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
技術(shù)介紹
具有期望的機械、磁性、電子、光學(xué)或生物學(xué)性質(zhì)的金屬和合金遍及許多行業(yè)享有廣泛的應(yīng)用。許多物理和/或機械性質(zhì)，例如強度、硬度、延展性、韌性、電阻等，取決于金屬或合金的內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)。金屬或合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常稱為其微觀結(jié)構(gòu)，但是該微觀-前綴在此不g在以任何方式限制結(jié)構(gòu)的尺度。本文使用的合金的微觀結(jié)構(gòu)通過組成合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種相、晶粒、晶界和缺陷以及它們在金屬或合金內(nèi)的排列來定義。可存在多于ー個相，并且晶粒和相或相疇(phase domain)可呈現(xiàn)從納米到例如毫米范圍的特征尺寸。對于單相晶體金屬和合金，最重要的微觀結(jié)構(gòu)特征之一是晶粒大小。對于呈現(xiàn)多相的金屬和合金，它們的性質(zhì)還取決于內(nèi)部形態(tài)性質(zhì)，例如相組成、相疇尺寸和相空間排列或相分布。因此，在實踐中很感興趣的是定制(tailor)金屬和合金的晶粒大小，橫跨跨度從微米到納米的寬范圍，以及定制它們的相組成、相疇尺寸以及相排列或相分布。然而，在許多情況下，不能精確或甚至一般性地理解內(nèi)部形態(tài)性質(zhì)(例如相組成或微觀結(jié)構(gòu))的變化會如何影響這類物理性質(zhì)。因此，不能足夠簡單地知道如何定制相組成或微觀結(jié)構(gòu)。在表征微觀結(jié)構(gòu)中，非常有用的是限定特征微觀結(jié)構(gòu)長度尺度。在金屬和合金為多晶的情況下，本文使用的特征長度尺度是指平均晶粒大小。對于含有亞晶粒(即，晶體內(nèi)的區(qū)域，其取向彼此稍有不同)的微觀結(jié)構(gòu)，本文使用的特征長度尺度還可指亞晶粒大小。金屬和合金還可含有孿生缺陷，當相鄰的晶粒或亞晶粒以特定的對稱方式取向錯誤時，形成該孿生缺陷。對于這種金屬和合金，本文使用的特征長度尺度可指這些孿生缺陷之間的間距。金屬和合金還可含有許多不同的相，例如不同類型的晶體相(例如面-心的立方體、體-心的立方體、密排六方晶格或特定順序的金屬間結(jié)構(gòu))以及無定形和準-晶體相。對于這種金屬和合金，本文使用的特征長度尺度可指不同相之間的平均間隔或每ー個相疇的平均特征尺寸。此外，存在許多性質(zhì)，例如光學(xué)光澤、由不同液體的潤濕性、摩擦系數(shù)和耐腐蝕性，它們?nèi)Q于金屬和合金的表面形態(tài)。因此，定制金屬和合金的表面形態(tài)的能力也是相關(guān)和有價值的。然而，在許多情況下不能精確或甚至一般性地理解表面形態(tài)的變化會如何影響這些其它性質(zhì)。一般而言，本文使用的術(shù)語形態(tài)性質(zhì)可用于指表面形態(tài)和內(nèi)部形態(tài)兩者。存在許多能制造具有不同微觀結(jié)構(gòu)的金屬和合金的現(xiàn)有的技術(shù)，包括強烈(severe)的形變加工方法、機械研磨、新的重結(jié)晶或結(jié)晶路徑、氣相沉積和電化學(xué)沉積(本文中稱為電沉積)。然而，這些加工技術(shù)中許多具有缺點。ー些不能提供具有任何期望的形狀的產(chǎn)品，而是局限于相對簡單的形狀，例如片材、卷狀物、板、條等。在不消耗過量能量的情況下，一些不能用于制備相對大的部件。其它的提供一些終端產(chǎn)品微觀結(jié)構(gòu)，但是對這種微觀結(jié)構(gòu)的控制相對粗糙和不精確，對于給定的過程，僅少量變量是可變化的。作為期望的性質(zhì)的具體實例，有用的是在基材上提供合金涂層。在許多情況下，有 益的是這種涂層相對硬或強，相對可延展，并且每単位體積還相對輕。在其它情況下，有益的是提供整體式合金塊，其不與基材連接，或者已從基材移除，如在電鑄過程中。在這些情況下，通常有益的是這種塊或這種電鑄件相對硬或強，相對可延展，并且每単位體積還相對輕。鋼具有特征性的強度與重量的比率，鋁合金也一祥，鋁合金通常更輕但是不如鋼強。因此，期望能產(chǎn)生與鋼ー樣硬或幾乎一祥硬，但每單位體積還與鋁ー樣或幾乎一祥重量輕的合金。另外，相關(guān)的期望目標是產(chǎn)生比鋁合金硬但每單位體積還比鋼輕的合金。由此，本專利技術(shù)人確定，由于電沉積呈現(xiàn)以下優(yōu)點而特別有吸引力。電沉積可用于在實際上任何形狀的傳導(dǎo)性材料上淀積金屬，以得到異常的性質(zhì)，例如增強的耐腐蝕和耐磨性。由于相對低的能量要求，電沉積可容易地按比例放大為エ業(yè)規(guī)模操作，且由于可調(diào)節(jié)許多加工變量(例如，溫度、電流密度和浴組成)以影響產(chǎn)品的某些性質(zhì)，電沉積提供更精確的微觀結(jié)構(gòu)控制。電沉積還可用于形成g在保留在基材頂上的涂層，或者形成電鑄部件，這些電鑄部件有某些部分從它們在其上電鍍的基材移除。除了這些優(yōu)點以外，通過選擇適當?shù)碾娊赓|(zhì)，電沉積還能制造寬范圍的金屬和合金。許多合金系統(tǒng)，包括基于銅_、鐵_、鉆_、金-、銀_、鈕_、鋒_、絡(luò)-、錫_和鎮(zhèn)_的合金，可在水性電解質(zhì)中電沉積，其中水用作溶劑。然而，呈現(xiàn)遠低于水的還原電位的金屬(例如鋁和鎂)不能使用常規(guī)方法在水性電解質(zhì)中電沉積。它們可在非水性電解質(zhì)例如熔融的鹽、甲苯、醚和離子液體中電沉積。已用于控制在非水性電解質(zhì)中電沉積的金屬和合金的結(jié)構(gòu)的典型的變量包括電流密度、浴溫和浴組成。然而，利用這些變量已生產(chǎn)的微觀結(jié)構(gòu)的范圍有限。迄今為止，沒有已知的方法可產(chǎn)生如下的非-鉄合金，其與鋼ー樣或幾乎一祥硬和可延展，但與鋁ー樣或幾乎ー樣輕，或者以另ー種方式表達，比鋁硬和更加可延展，但比鋼輕。其它研究者使用直流電流(DC)，使用添加劑例如煙酸、氯化鑭和苯甲酸，由基于氯化鋁的溶液實現(xiàn)了納米晶體鋁(Al)的電沉積。雖然添加劑可有效細化(refine)晶粒大小，但是可得到的晶粒大小的范圍有限；例如，非常少量的苯甲酸(0. 02 mol/L)降低Al晶粒大小至20 nm，進ー步提高苯甲酸濃度不引起晶粒大小進ー步降低。添加劑可為有機的，在分類上通常稱為晶粒細化劑，并且也可稱為增亮劑(brightener)和流平劑(Ieveler)。其它研究者使用脈沖的沉積電流(開/關(guān))，不使用添加剤，也實現(xiàn)了納米晶體Al的電沉積，但是同樣，可得到的晶粒大小的范圍窄。還發(fā)現(xiàn)了加工溫度影響電沉積的Al的晶粒大小。然而，由于從ー個加工運行到下ー個運行改變電解質(zhì)溫度所需的長時間和高能耗，利用溫度來控制晶粒大小不太實際。還期望通過操縱不需要改變電解質(zhì)組成的エ藝參數(shù)來定制機械、磁性、電子、光學(xué)或生物學(xué)性質(zhì)，例如通過使用否則不是必需的添加剤，或加工溫度，或調(diào)節(jié)耗時或耗能、或使用則能量密集的其它參數(shù)，或難以監(jiān)測的其它參數(shù)。“添加剤”通常是指晶粒細化劑、增亮劑和流平劑，其包括煙酸、氯化鑭或苯甲酸等，以及有機晶粒細化劑、增亮劑和流平劑。還期望能控制這種物理性質(zhì)，而無需理解微觀結(jié)構(gòu)或內(nèi)部形態(tài)特征(例如晶粒大小、相疇尺寸、相組成和排列或分布)與以上提及的物理和/或機械性質(zhì)之間的關(guān)系。類似地，期望通過類似地操縱方便的參數(shù)，定制表面形態(tài)或表面性質(zhì)例如光學(xué)光澤、由不同液體的潤濕性、摩擦系數(shù)和耐腐蝕性，并且此外，無需理解以上提及的表面形態(tài)和表面性質(zhì)之間的關(guān)系。 還期望能產(chǎn)生ー種合金，其具有寬范圍的晶粒大小，例如約15 nm-約2500 nm，并且還能有效控制晶粒大小在該范圍內(nèi)。能使用一種單ー的電解質(zhì)組成也是有很大益處的，用以序貫電沉積不同的微觀結(jié)構(gòu)和表面形態(tài)的合金。最后，能提供分級的(graded)微觀結(jié)構(gòu)將具有巨大的益處，其中通過沉積物厚度控制以下中的ー個或全部晶粒大小；化學(xué)組成；相組成；相疇尺寸；和相排列或分布。概 述 在權(quán)利要求書之前，以下提供更詳細的部分概述。本文公開的新技術(shù)為，使用ー種不同的變量控制在非水性電解質(zhì)中電沉積的金屬和合金的結(jié)構(gòu)施加的功率波形(通常為電流波形)的形狀。使用含有不同類型脈沖的波形，即，陰極脈沖、“停止時間(off-time) ”脈沖和陽極脈沖，可定制這樣沉積的合金的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，例如晶本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2009.10.14 US 12/579,0621.ー種用于沉積包含鋁的合金的方法，所述方法包括以下步驟 a.提供包含溶解的鋁物類的非水性電解質(zhì)； b.在電解質(zhì)中提供第一電極和第二電極，其與電源連接；和 c.驅(qū)動電源為電極遞送電功率，其具有包含模塊的波形，所述模塊包含至少兩個脈沖，第一脈沖具有為正的振幅為I1的陰極功率，在持續(xù)時間も內(nèi)施加，而第二脈沖具有值i2的功率，在持續(xù)時間t2內(nèi)施加，此外其中h和t2持續(xù)時間均大于約0. I毫秒并小于約I秒，并且此外其中比率I2A1小于約0. 99并大于約-10 ； 由此在第二電極上產(chǎn)生包含鋁的合金沉積物。2.權(quán)利要求I的方法，所述驅(qū)動電源的步驟包括驅(qū)動電源以供應(yīng)具有波形的電功率，所述波形具有包含陽極脈沖的模塊。3.權(quán)利要求I的方法,所述沉積物包含至少約50重量％Al。4.權(quán)利要求I的方法，所述驅(qū)動電源的步驟包括驅(qū)動電源以供應(yīng)具有波形的電功率，所述波形具有包含停止時間和陰極脈沖的模塊。5.權(quán)利要求I的方法，所述驅(qū)動電源的步驟包括驅(qū)動電源以供應(yīng)具有波形的電功率，所述波形具有包含至少兩個不同量值的陰極脈沖的模塊。6.權(quán)利要求I的方法，所述沉積物包含錳。7.權(quán)利要求I的方法，所述驅(qū)動的步驟包括使用具有重復(fù)波形的非恒定的電功率驅(qū)動電源，所述波形具有持續(xù)時間為約0. 2 ms-約2000 ms的模塊。8.權(quán)利要求I的方法，所述沉積物具有小于約100nm的特征微觀結(jié)構(gòu)長度尺度。9.權(quán)利要求I的方法，其中所述提供電解質(zhì)的步驟進一歩包括提供包含不是鋁的至少一種其它元素的溶解的物類的非水性電解質(zhì)。10.權(quán)利要求9的方法，其中在關(guān)于該至少ー種其它元素的電解質(zhì)組成和所形成的合金的性質(zhì)之間存在相關(guān)性，所述相關(guān)性在沉積物的實際使用的范圍內(nèi)是連續(xù)的，所述方法進ー步包括以下步驟 a.基于該相關(guān)性，記錄相應(yīng)于性質(zhì)的目標程度的關(guān)于該至少ー種其它元素的組成；和 b.提供非水性電解質(zhì)的步驟包括提供具有該相應(yīng)的組成的電解質(zhì)。11.權(quán)利要求10的方法，所形成的合金的性質(zhì)包括表面特征的平均特征尺寸。12.權(quán)利要求10的方法，所形成的合金的性質(zhì)包括表面形態(tài)。13.權(quán)利要求12的方法，所述性質(zhì)包括表面形態(tài)，所述目標程度包括如下范圍的表面形態(tài)從高度刻面的結(jié)構(gòu)，到不太有角的特征，到光滑的表面，以及到圓化的結(jié)。14.權(quán)利要求10的方法，所形成的合金的性質(zhì)包括平均特征微觀結(jié)構(gòu)長度尺度。15.權(quán)利要求14的方法，所述平均特征微觀結(jié)構(gòu)長度尺度的目標值為約15nm-約2500nm。16.權(quán)利要求I的方法，其中在脈沖振幅、振幅比率和脈沖的持續(xù)時間中的至少ー個的值與所形成的合金的性質(zhì)的程度之間存在相關(guān)性，所述相關(guān)性在沉積物的實際使用的范圍內(nèi)是連續(xù)的，所述方法進ー步包括以下步驟 a.基于該相關(guān)性，記錄相應(yīng)于性質(zhì)的目標程度的振幅、振幅比率或持續(xù)時間中的至少一個的值；和 b.所述驅(qū)動電源的步驟包括驅(qū)動電源以供應(yīng)具有模塊的電功率，所述模塊具有脈沖，...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：S阮，CA舒，
申請(專利權(quán))人：S阮，CA舒，
類型：發(fā)明
國別省市：