電刷鍍鈀機理和工藝研究及優(yōu)化、應(yīng)用

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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文摘要摘要軍用微特電機是導(dǎo)彈飛行系統(tǒng)的重要部件，根據(jù)戰(zhàn)時的需要，導(dǎo)彈等武器有時需在武器庫中存放長達八年之久。為保證其隨動性和絕對可靠，需要在微特電機的電接觸元件一換向器上鍍覆一層鈀保護膜，以提高其抗大氣腐蝕能力。但現(xiàn)在的電沉積工藝因吸氫嚴重致使鍍層含有大量的氣孔和裂紋，不能滿足要求。目前電沉積工藝采用連續(xù)沉積的方式，連續(xù)沉積過程中氫被封于鍍層中，從而不利于氫的脫附。本文提出用斷續(xù)沉積的方式鍍鈀，利用電刷鍍工藝實現(xiàn)了沉積方式的轉(zhuǎn)變，獲得了高質(zhì)量的無裂紋和氣孔的鍍層。本文對電刷鍍鈀的原理和工藝以及氫在鈀膜中的溶解和擴散進行了系統(tǒng)的研究，并設(shè)計了專門裝置實現(xiàn)了微特電機挽向器表面

2、鍍鈀。，目前在材料試驗研究中，主要依靠經(jīng)驗進行工藝和材料性能的調(diào)整，不僅試驗啁期長、效率低，而且無法從整體上掌握其變化規(guī)律。正交設(shè)計和均勻設(shè)計是兩種先進的試驗設(shè)計方法，逐步在材料研究領(lǐng)域中得到應(yīng)用。正交設(shè)計適合于因素多、水平少的試驗研究，均勻設(shè)計適合于因素少、水平多的試驗研究。受材料試驗過程誤差的影響．兩種方法的使用有一定限制。本文提出采用正交設(shè)計和均勻設(shè)計相結(jié)合的試驗研究方法：首先利用正交設(shè)計從各影響困素中找出了對材料硬度和光澤度影響顯著的兩個因素一沉積電壓和鍍液pH值，然后安排兩個因素的多水平均勻設(shè)計試驗，并對試驗結(jié)果進行非線性回歸，得到了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬退火算法等

3、人工智能方法，在材料研究領(lǐng)域僅能實現(xiàn)單目標優(yōu)化，不能滿足材料多性能優(yōu)化的要求。本文利用基于非劣解概念的多目標優(yōu)化遺傳算法，對鍍層硬度和光澤度進行了多性能優(yōu)化。本文提出了目標函數(shù)比較法替代向量比較法用于非劣點的判斷，更符合非劣解的本質(zhì)，并減小了計算量。受群體規(guī)模和遺傳代次的限制，遺傳算法的局部搜索能力不高，有待進一步完善。本文提出了一種新的小生境算子一婆羅門，將簡單遺傳算法中的隨機交配改為根據(jù)染色體的適應(yīng)度進行交配，提高了遺傳算法局部搜索能力，有效地防止了基因漂移。在多性能優(yōu)化的基礎(chǔ)上本文提出了材料性能穩(wěn)定性的概念，通過選擇分布范圍相對較大而相應(yīng)的材料性能相對集中的工藝參數(shù)，減小了環(huán)境等非可控因

4、素對電刷鍍鈀過程的影響，從而減小了材料性能的變異。本文利用AFM、Ⅺ①和顯微硬度研究了電刷鍍鈀的除氫機制、控制方式和形核機制。研究發(fā)現(xiàn)，在鈀沉積的間歇期，氫氣泡有充分的時間從陰極表面逃逸；同時，陽極在陰極表面的摩擦運動促進了氫的脫附，避免了在鍍層中形成氣孔。沉積溫度對氫的脫附有重要影響，溫度升高加劇了氫的熱運動，促進了氫的脫附，從而降低了鍍層的含氫量，并影響著鍍層中裂紋的形態(tài)和密度。隨著刷鍍溫度的3C上海交通大學(xué)博士擘住論文摘要升高，鍍層中的裂紋逐漸消失。研究發(fā)現(xiàn)，上一層鍍層中的缺陷為下一層鍍層提供了優(yōu)先形核位置，鈀原子優(yōu)先在缺陷形核生長而將缺陷處鍍層修復(fù)，在此基礎(chǔ)上本文提出電刷鍍過程中存在鍍

5、層的自修復(fù)機制。第一層鍍層以二維形式形核長大；在第二層以后，鍍層以三維形式形核長大。正交試驗的結(jié)果表明沉積電壓、鍍液pH值對鍍層主要性能—硬度和光澤度的影響太于陽極運動速度和鍍液中鈀鹽濃度的影響，說明電刷鍍鈀過程受電化學(xué)反應(yīng)控制，與一般電沉積過程的電化學(xué)和擴散聯(lián)合控制不同。陽極在陰極表面的運動加快了離子的擴散速度、提高了陰極表面反應(yīng)離子的濃度和減小了陰極表面擴散層的厚度，從而加快了擴散反應(yīng)的速度，使控制方式發(fā)生了轉(zhuǎn)變。計算表明，在不考慮電化學(xué)反應(yīng)時，極限電流密度與陽極的運動速度成正比。電刷鍍鈀過程中存在著鈀和氫還原反應(yīng)之間的競爭。沉積電壓和鍍液pH值通過改變競爭的程度而影響了鍍層的性能。本文利

6、用陽極極化和電化學(xué)剝離方法測量了氫在電刷鍍鈀薄膜中的溶解和擴散。研究發(fā)現(xiàn)，氫在鈀膜硼的最大溶解度為O．02H／Pd，大于氫在鈀體材料伐相的晟大溶解度(0，008腫d)；而在B相的最小溶解度為0．48H／Pd，小于氫在鈀體材料p相的最大溶解度(o．6HJVd)。晶界在晶體中的比例超過20％，是引起氫溶解度變化的主要原因。氫在電刷鍍鈀薄膜中的擴散激活能為27．1K_J／mol，接近氫在體材料中的擴散激活能，而擴散系數(shù)隨鈀膜含氫量而變化。在鈀膜氫含量低時，晶界對擴散主要起阻擋作用，氫在鈀膜的擴散系數(shù)比常規(guī)體材料低兩個數(shù)量級。當鈀膜氫含量高時．晶界對擴散主要起促進作用，擴散系數(shù)增大。晶界對氫原子擴散的

7、影響有兩面性：一方面晶界易于與氫結(jié)合，阻擋了氫的擴散；另一方面，晶界致密度低，加速了氫的擴散。本文對氫含量的計算方法進行了改進，計算了小電流包括無窮小電流產(chǎn)生的電量，提高了測量精度。針對換向器的特殊結(jié)構(gòu)，本文采用了陰極相對于工件運動的方式，將陰極引入電沉積回路，實現(xiàn)了微特電機換向器表面的電刷鍍鈀。本文設(shè)計了一套隨動裝置，將陰極與電樞的接觸方式由剛性接觸改為彈性接觸，同時消除了因換向器軸和電動機軸偏