余云丹，孫麗俠，樓俊尉，葛洪良，衛(wèi)國(guó)英

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

磁場(chǎng)下電沉積制備Co-W合金鍍層

余云丹，孫麗俠，樓俊尉，葛洪良，衛(wèi)國(guó)英

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

在磁場(chǎng)下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鍍層沉積速率、微觀形貌、成分以及磁性能等的影響。結(jié)果表明：沉積速率隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而顯著提高；洛倫茲力可以降低電極表面的濃差極化，避免氫氣的析出，使鍍層均勻、致密；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層的比飽和磁化強(qiáng)度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T時(shí)，矯頑力最大。

磁場(chǎng)；電沉積；Co-W合金

0 前言

Co-W合金鍍層具有優(yōu)良的耐蝕性、耐磨性及磁性能等特性，不僅可以作為超高密度垂直磁記錄的介質(zhì)，還可以代替電子設(shè)備中的微磁體［1－2］。制備Co-W合金鍍層的方法有熱熔法、離子鍍法、化學(xué)鍍法和電鍍法等，但是傳統(tǒng)的制備方法都存在一些缺點(diǎn)（如鍍層孔隙率大、表面不夠平整、有氣孔等）。近年來(lái)，人們開(kāi)始研究在磁場(chǎng)下制備金屬合金鍍層。在電鍍過(guò)程中，引入磁場(chǎng)可以有效地改善鍍層孔隙率大、表面粗糙等問(wèn)題。本實(shí)驗(yàn)在磁場(chǎng)下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鍍層沉積速率、微觀形貌、成分以及磁性能等的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍液組成及工藝條件

CoSO4·7H2O 0.1mol/L，Na2WO4·2H2O 0.05mol/L，（NH4）2C6H6O70.2mol/L，Na2SO40.3 mol/L，NH2CH2COOH 0.2mol/L，NaH2PO2·H2O 0.1mol/L，pH 值 8.0，電壓 1.8V，磁場(chǎng)強(qiáng)度 0～1.0T，55～60℃，1 800s。

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

實(shí)驗(yàn)采用雙電極體系，陰極為銅片（面積為6cm2），陽(yáng)極為鉑片（面積為15cm2）。實(shí)驗(yàn)前陰極用不同型號(hào)的金相砂紙逐級(jí)打磨至光亮，然后放入丙酮與酒精的混合溶液中進(jìn)行超聲波清洗，待用。用稀H2SO4或NaOH溶液將鍍液的pH值調(diào)至8.0，按上述鍍液組成及工藝條件施鍍。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層沉積速率的影響

圖1為磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層沉積速率的影響。由圖1可知：磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沉積速率有明顯影響，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，沉積速率顯著提高；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，沉積速率達(dá)到60g·m－2·h－1，比無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的沉積速率提高了近2倍。在電鍍過(guò)程中引入磁場(chǎng)，由于磁場(chǎng)垂直于電場(chǎng)，產(chǎn)生宏觀的洛倫茲力作用，從而攪拌鍍層附近的雙電層，消除了濃差極化，提高了化學(xué)反應(yīng)速率［3］。另一個(gè)對(duì)鍍液的傳質(zhì)作用有顯著影響的磁化力是磁場(chǎng)梯度力。磁場(chǎng)梯度力和磁場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，鍍液的傳質(zhì)速率越快。因此，磁場(chǎng)可以從化學(xué)反應(yīng)速率和鍍液的傳質(zhì)速率兩方面影響鍍層的沉積速率。

圖1 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)沉積速率的影響

圖2為在磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下離子的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中FE為電場(chǎng)力，F(xiàn)L為洛倫茲力。由圖2可知：無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，離子只受到電場(chǎng)力的作用，方向指向陰極表面，離子以近似于直線的運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)陰極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)；施加磁場(chǎng)后，離子除了受到電場(chǎng)力的作用外，還受到洛倫茲力的作用，因此，帶電微粒在磁場(chǎng)作用下做螺旋運(yùn)動(dòng)，最后從側(cè)向到達(dá)陰極表面。陰極附近離子的切向運(yùn)動(dòng)使得擴(kuò)散層變薄，起到攪拌鍍液的作用，離子的傳質(zhì)速率加快。

圖2 磁場(chǎng)和電場(chǎng)作用下離子的運(yùn)動(dòng)軌跡

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層微觀形貌的影響

圖3為磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層微觀形貌的影響。由圖3可知：無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，鍍層的孔隙率高，氣孔較多，這主要是濃差極化使得鍍層附近冒出大量氫氣所導(dǎo)致的結(jié)果；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層的孔隙率降低，氣孔逐漸減少；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，鍍層平整，孔隙率低，微粒大小均勻。施加磁場(chǎng)之所以能降低鍍層的孔隙率，主要是由于洛倫茲力的磁對(duì)流效應(yīng)。

圖3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鍍層微觀形貌的影響

圖4為在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下所得鍍層的AFM顯微圖。由圖4可知：無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，鍍層表面呈均勻的“瘤節(jié)狀”；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.2T時(shí)，鍍層表面出現(xiàn)了許多“山狀”的微粒，此時(shí)鈷在磁場(chǎng)力的作用下有垂直于鍍層表面生長(zhǎng)的趨勢(shì)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T時(shí)，鈷垂直于鍍層表面生長(zhǎng)的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，“山狀”的微粒越來(lái)越多；然而隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的繼續(xù)增大，鈷垂直于鍍層表面生長(zhǎng)的趨勢(shì)開(kāi)始減弱，“山狀”微粒的尖端被打碎，鍍層表面開(kāi)始趨于平整。隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的不斷增大，洛倫茲力開(kāi)始占主導(dǎo)地位。洛倫茲力在陰極表面的邊界層中產(chǎn)生沖刷作用，使得陰極表面晶粒的尖端被打碎，抑制其垂直于鍍層表面生長(zhǎng)，從而大大提高了鍍層表面的平整度。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1T時(shí)，“山狀”的微?；旧媳宦鍌惼澚φ?，鍍層表面呈“瘤節(jié)狀”。

圖4 在不同磁場(chǎng)強(qiáng)度下所得鍍層的AFM顯微圖

2.3 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層成分的影響

引入磁場(chǎng)后，磁場(chǎng)梯度力會(huì)影響鍍液的傳質(zhì)作用，加快化學(xué)反應(yīng)速率。鎢是順磁性金屬，其受到的磁場(chǎng)梯度力不明顯；而鈷是鐵磁性金屬，其受到的磁場(chǎng)梯度力較明顯，磁場(chǎng)梯度力使鍍液中的Co2＋遠(yuǎn)離電極［4］，所以鍍液中的Co2＋會(huì)比 W6＋提前到達(dá)陰極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而使得鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加。EDS成分分析結(jié)果表明：無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)，鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%。

2.4 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層磁性能的影響

圖5為磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)Co-W鍍層磁性能的影響。由圖5可知：隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層的比飽和磁化強(qiáng)度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T時(shí)，矯頑力最大，為73 709 A/m。根據(jù)磁化理論，材料的比飽和磁化強(qiáng)度與材料的組成有關(guān)。鈷具有磁性，隨著鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鍍層的比飽和磁化強(qiáng)度增大。在磁場(chǎng)作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長(zhǎng)，形成“山狀”結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)形狀各向異性［5］；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，洛倫茲力又整平鍍層表面“山狀”的微粒，使形狀各向異性消失。矯頑力與形狀各向異性有密切的關(guān)系，一般情況下，細(xì)長(zhǎng)的微粒構(gòu)成的薄膜材料，其矯頑力較大。因此，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層的矯頑力先增大后減小。

圖5 磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鍍層磁性能的影響

3 結(jié)論

（1）隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，沉積速率顯著提高；磁場(chǎng)強(qiáng)度為1T時(shí)，沉積速率為60g·m－2·h－1，比無(wú)外加磁場(chǎng)時(shí)的沉積速率提高了近2倍。

（2）洛倫茲力在陰極表面的邊界層中產(chǎn)生沖刷作用，使得陰極表面晶粒的尖端被打碎，從而大大提高了鍍層表面的平整度。

（3）在磁場(chǎng)作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長(zhǎng)，形成“山狀”結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)形狀各向異性；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，洛倫茲力又整平鍍層表面“山狀”的微粒，使形狀各向異性消失。

（4）隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，鍍層的比飽和磁化強(qiáng)度逐漸增大，而矯頑力呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.5T時(shí)，矯頑力最大，為73 709A/m。

［1］ 顧培夫.薄膜技術(shù)［M］.浙江：浙江大學(xué)出版社，1990：22-67.

［2］ 鄧聯(lián)文，江建軍，何華輝.磁性薄膜及其復(fù)合結(jié)構(gòu)高頻特性研究進(jìn)展［J］.功能材料，2004，35（2）：151-153.

［3］ Koza J A，Uhlemann M，Mickel C，et al.The effect of magnetic field on the electrodeposition of Co-Fe alloys［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2009，321（14）：2 265-2 268.

［4］ Reilly C O，Hinds G，Coey J M D.Effect of a magnetic field on electrodeposition：Chronoamperometry of Ag，Cu，Zn，and Bi［J］.Journal of the Electrochemical Society，2001，148（10）：674-678.

［5］ 廖紹彬.鐵磁學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1988.

Preparation of Co-W Alloy Coatings by Electrodeposition in Magnetic Field

YU Yun-dan，SUN Li-xia，LOU Jun-wei，GE Hong-liang，WEI Guo-ying
（College of Materials Science and Engineering，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China）

A Co-W alloy coating was prepared by electrodeposition in magnetic field and the effects of magnetic field intensity on the deposition rate，micro-morphology，composition，magnetic properties，etc.of the coating were investigated.The results show that as the magnetic field intensity increases，the deposition rate is significantly improved；Lorentz force can reduce differential concentration polarization of electrode surface and avoid hydrogen releasing，making the coating uniform and compact；along with the increasing of the magnetic field intensity，the specific saturation magnetization of the coating will gradually increase，and the coercive force will increase first and then decrease，when the magnetic field intensity is 0.5T，the coercive force has its maximum value.

magnetic field；electrodeposition；Co-W alloy

TQ 153

A

1000-4742（2012）04-0001-03

浙江省自然科學(xué)基金（Y4110290）和國(guó)家國(guó)際合作項(xiàng)目（2011DFA52400）

2011-06-07