图 3 N—ip电沉积行为的模拟等效电路 j C SF g 3 E u v l n ic i m o e i g f rt e Ni i i q i a e tcr u t . d l o h - Cp n See t o e o ii n lc r d p sto
.
图 1不同占空比时的脉冲电流F g 1 Th u s u r n t i f r n u y c ce i. e p le c r e twih d f e e td t y ls
图4是在 l0Hz10 z 1 H下不同占空比时电荷 O0、0 H及 0 z传递电流的模拟结果 (平均电流密度为 1 0 A/ ) 0 0 m。。
2结果与讨论2 1表面形貌 .图 2是不同占空比下镀层表面的形貌图。从图 2中可
以看到，—i。 Ni C镀层晶粒呈现出金字塔形结构，晶粒尺寸 S其随着占空比的增大而增大。由于占空比的增大，冲电沉积脉
过程近似于直流电镀过程；占空比减小时，会由于关断当则时间的延长，峰电流密度增大口使。峰电流会促进细小晶粒的形成，这是因为成核速率随着电流的增大而呈指数增长。
较长的关断时间则为镍原子和其它带电颗粒在阴极的扩散提供了更充裕的时间，利于成核速率的增大及生成更小的有晶粒㈨。
图 4不同占空比时电荷传递电流的模拟结果Fi . Th i l t n r s ls f r t e c a g r n f r g4 e smu a i e u t o h h r e
ta s e o c r e tu d r d fe n u y c ce u r n n e if r td t y l e s
图 2不同占空比下 N—ip层的表面形貌图 iC镀 SFg 2 S raemop ooyo i iD o oi ot g i ufc rh lg fN— C mp st c ai s . S c e no t i e td f e n u y c ce b a n d a i f r td t y l e s
由图 4可知，电荷传递电流在占空比为 2时， 5达到最大峰值，占空比为 7时最低。模拟考虑了电沉积行为中在 5的双电层电容效应。双电层在脉冲电源下进行充电和放电，
脉冲占空比可以改变 C S d e复合镀层的能带隙值L]也 -,如会影响电沉积行为嘲。在脉冲电沉积中，电容效应的充放电
其充放电行为与脉冲参数及镀液体系的物理化学参数相关。频率不同时，电荷传递的峰电流会随着频率的增加而减小。
脉冲电流占空比对Ni—SiCp复合镀层电沉积行为的影响
脉冲电流占空比对 Ni i。— C复合镀层电沉积行为的影响/ S胡飞等当频率为 l Hz时，— i电沉积的电荷传递电流与施加的 O Ni C S脉冲电流相似。这说明此时的充电和放电时间与脉冲的沉积和关断时间相比较短。当频率增加到 l0 Hz时， O0电荷传递峰电流密度 (占空比为 5 时小于 1 0 A/ ) 0 0 0 m。比施加的峰电流密度 (在相同的占空比时为 2 0 A/ )得多。这是因 0 0 m低为双电层的充电和放电时间分别比脉冲的沉积和关断时间
2 1 5
2 3纳米显微硬度性能 .图 6是不同占空比时 Ni i复合镀层的维氏显微硬—C S
度。由图 6可知，占空比为 5时可以得到最大的显微硬度 O
值。这可以归因于镍颗粒尺寸减小和 S i粒含量增加的 C颗协同作用。根据 Ha— a h系式， lP t关 l c颗粒尺寸减小会增加复合镀层的硬度：一 H+ Kd 1 H是显微硬度，是常 H _ ( K数，指定的颗粒尺寸 ) d是。随着占空比的增大，基质颗粒镍数增加，而硬度值减小。而占空比的增加不仅会增加 SC从 i
长很多，时脉冲电流实际上是直流，而丧失了脉冲电镀此从的优势。当频率为 1 0、 0 Hz占空比为 5
时， O电荷传递峰电流约为 1 0 A/,近外加脉冲峰值电流密度 2 0 A/, 9 0 m。接 0 0 m 可以产生较高的电流效率。
颗粒含量，会增大复合镀层的硬度值，可由式 ()出：还这 3得H H c SC一 si i,
+ H Ni%
() 3
2 2 SC颗粒沉积含量 . i利用 E X测定的 SC颗粒体积分数与占空比的关系如 D i图 5所示。从图 5中可以看到， i SC颗粒的含量随着脉冲占
显然，颗粒尺寸与 S镍 i粒含量对硬度的影响是相反 C颗的。本实验中占空比为 5 时可得到硬度的最大值 H 0 ( 9 g。图 7为利用纳米压痕技术得到的不同占空比时复 30)
空比的增大而增加。S i粒的沉积源于电泳的吸引力， C颗惰性颗粒 (镍离子所吸引 )靠电泳的库仑力运动到阴极表被是面。而 SC颗粒的体积分数与电流密度、 i电解液的颗粒含量以及其它沉积参量有关。本课题组曾观察到 SC颗粒在 Ni i 基体中均匀分布 _ l。脉冲电镀与直流电镀的最大区别在于
合镀层的应力一应变曲线以及硬度值和杨氏模量结果。占空比为 5 时可以得到最大的杨氏模量值和硬度值，别为 0分 4 . 3 a和 2 2 GP。这些结果与显微硬度值相符。 9 0 GP .5 a
脉冲电镀时存在 2个扩散层。内扩散层在阴极附近，沉积在时间内，子浓度减小；关断时间内，子浓度增加，子离在离离
浓度随着脉冲电流频率的变化而变化。然而外扩散层的离子会在关断时间内向阴极运动。而外分散层的离子会在关断时间内向阴极运动。因此，冲沉积时反映的是吸附过脉程，脉冲关断时反映的是扩散过程和析氢反应。若 Ni而—
S。 i复合镀层的电沉积过程是可控的电荷转移过程， C且不考虑关断时间的影响，么 SC颗粒的体积分数可由式 ( )1那 i 1 r]。得出：a
图 6不同占空比时 N—ip合镀层的维氏显微硬度 i C复 sF g 6 Th i. eVik r c e smi r h r n s fNiS C c mp st c o a d e so - i￣ o o ie c a i g n e if r n u y c c e o t s u d
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k果如图 5示。所
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式中：()电流密度，是关断时间/积时间的比值。占 J为 m沉空比越大，值和峰值电流密度越小。平均电流密度相同 m
时，可计算出不同占空比下 SC颗粒的体积分数，模拟结 i其
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图 5不同占空比下 SC沉积量的模拟结果及试验结果 iFi . Th x e i n a n i l to e u t f n o ie g5 e e p r me t l d smu a i n r s ls o a sz d a n
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图 7纳米压痕的应力一变曲线及杨氏模量和硬度值结果应Fi 7 Na - d n a i n l a - e t u v s a d Yo n . g no i e t to o d d p h c r e n u g S n mo u u d h r n s f NiS Cpc mp st o tn s d lsa a d eso - i o o i c ai g n e
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脉冲电流占空比对Ni—SiCp复合镀层电沉积行为的影响