电刷镀钯机理和工艺研究及优化、应用

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1、上海交通大学博士学位论文摘要摘要军用微特电机是导弹飞行系统的重要部件，根据战时的需要，导弹等武器有时需在武器库中存放长达八年之久。为保证其随动性和绝对可靠，需要在微特电机的电接触元件一换向器上镀覆一层钯保护膜，以提高其抗大气腐蚀能力。但现在的电沉积工艺因吸氢严重致使镀层含有大量的气孔和裂纹，不能满足要求。目前电沉积工艺采用连续沉积的方式，连续沉积过程中氢被封于镀层中，从而不利于氢的脱附。本文提出用断续沉积的方式镀钯，利用电刷镀工艺实现了沉积方式的转变，获得了高质量的无裂纹和气孔的镀层。本文对电刷镀钯的原理和工艺以及氢在钯膜中的溶解和扩散进行了系统的研究，并设计了专门装置实现了微特电机挽向器表面

2、镀钯。，目前在材料试验研究中，主要依靠经验进行工艺和材料性能的调整，不仅试验啁期长、效率低，而且无法从整体上掌握其变化规律。正交设计和均匀设计是两种先进的试验设计方法，逐步在材料研究领域中得到应用。正交设计适合于因素多、水平少的试验研究，均匀设计适合于因素少、水平多的试验研究。受材料试验过程误差的影响．两种方法的使用有一定限制。本文提出采用正交设计和均匀设计相结合的试验研究方法：首先利用正交设计从各影响困素中找出了对材料硬度和光泽度影响显著的两个因素一沉积电压和镀液pH值，然后安排两个因素的多水平均匀设计试验，并对试验结果进行非线性回归，得到了相应的数学模型。遗传算法、神经网络和模拟退火算法等

3、人工智能方法，在材料研究领域仅能实现单目标优化，不能满足材料多性能优化的要求。本文利用基于非劣解概念的多目标优化遗传算法，对镀层硬度和光泽度进行了多性能优化。本文提出了目标函数比较法替代向量比较法用于非劣点的判断，更符合非劣解的本质，并减小了计算量。受群体规模和遗传代次的限制，遗传算法的局部搜索能力不高，有待进一步完善。本文提出了一种新的小生境算子一婆罗门，将简单遗传算法中的随机交配改为根据染色体的适应度进行交配，提高了遗传算法局部搜索能力，有效地防止了基因漂移。在多性能优化的基础上本文提出了材料性能稳定性的概念，通过选择分布范围相对较大而相应的材料性能相对集中的工艺参数，减小了环境等非可控因

4、素对电刷镀钯过程的影响，从而减小了材料性能的变异。本文利用AFM、Ⅺ①和显微硬度研究了电刷镀钯的除氢机制、控制方式和形核机制。研究发现，在钯沉积的间歇期，氢气泡有充分的时间从阴极表面逃逸；同时，阳极在阴极表面的摩擦运动促进了氢的脱附，避免了在镀层中形成气孔。沉积温度对氢的脱附有重要影响，温度升高加剧了氢的热运动，促进了氢的脱附，从而降低了镀层的含氢量，并影响着镀层中裂纹的形态和密度。随着刷镀温度的3C上海交通大学博士擘住论文摘要升高，镀层中的裂纹逐渐消失。研究发现，上一层镀层中的缺陷为下一层镀层提供了优先形核位置，钯原子优先在缺陷形核生长而将缺陷处镀层修复，在此基础上本文提出电刷镀过程中存在镀

5、层的自修复机制。第一层镀层以二维形式形核长大；在第二层以后，镀层以三维形式形核长大。正交试验的结果表明沉积电压、镀液pH值对镀层主要性能—硬度和光泽度的影响太于阳极运动速度和镀液中钯盐浓度的影响，说明电刷镀钯过程受电化学反应控制，与一般电沉积过程的电化学和扩散联合控制不同。阳极在阴极表面的运动加快了离子的扩散速度、提高了阴极表面反应离子的浓度和减小了阴极表面扩散层的厚度，从而加快了扩散反应的速度，使控制方式发生了转变。计算表明，在不考虑电化学反应时，极限电流密度与阳极的运动速度成正比。电刷镀钯过程中存在着钯和氢还原反应之间的竞争。沉积电压和镀液pH值通过改变竞争的程度而影响了镀层的性能。本文利

6、用阳极极化和电化学剥离方法测量了氢在电刷镀钯薄膜中的溶解和扩散。研究发现，氢在钯膜硼的最大溶解度为O．02H／Pd，大于氢在钯体材料伐相的晟大溶解度(0，008肿d)；而在B相的最小溶解度为0．48H／Pd，小于氢在钯体材料p相的最大溶解度(o．6HJVd)。晶界在晶体中的比例超过20％，是引起氢溶解度变化的主要原因。氢在电刷镀钯薄膜中的扩散激活能为27．1K_J／mol，接近氢在体材料中的扩散激活能，而扩散系数随钯膜含氢量而变化。在钯膜氢含量低时，晶界对扩散主要起阻挡作用，氢在钯膜的扩散系数比常规体材料低两个数量级。当钯膜氢含量高时．晶界对扩散主要起促进作用，扩散系数增大。晶界对氢原子扩散的

7、影响有两面性：一方面晶界易于与氢结合，阻挡了氢的扩散；另一方面，晶界致密度低，加速了氢的扩散。本文对氢含量的计算方法进行了改进，计算了小电流包括无穷小电流产生的电量，提高了测量精度。针对换向器的特殊结构，本文采用了阴极相对于工件运动的方式，将阴极引入电沉积回路，实现了微特电机换向器表面的电刷镀钯。本文设计了一套随动装置，将阴极与电枢的接触方式由刚性接触改为弹性接触，同时消除了因换向器轴和电动机轴偏