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余云丹，孫麗俠，樓俊尉，葛洪良，衛(wèi)國英
（中國計(jì)量學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州310018）
摘要：在磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場強(qiáng)度對鍍層沉積速率、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0使鍍層均勻、致密；隨著磁場強(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，當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.5 T時(shí)，矯頑力最大。
關(guān)鍵詞：磁場；電沉積；Co-W合金
中圖分類號：TQ 153 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-4742(2012)04-0001-03
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，人們開始研究在磁場下制備金屬合金鍍層。在電鍍過程中，引入磁場可以有效地改善鍍層孔隙率大、表面粗糙等問題。本實(shí)驗(yàn)在磁場下電沉積制備Co-W合金鍍層，研究了磁場強(qiáng)度對鍍層沉積速率、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
CoS04·7H20 0.1mol/L,Na2W04·2H20 O.05mol/L,(NH4)2C6H6O7 0.2mol/L,Na2S04 0.3 mol/L,NH2CH2COOH O.2mol/L,NaH2PO2·H20 O.1mol/L，pH值8.0，電壓1.8 V，磁場強(qiáng)度O～1.0 T，55～60℃，1 800 s。
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6 cm2)，陽極為鉑片（面積為15 cm2）。實(shí)驗(yàn)前陰極用不同型號的金相砂紙逐級打磨至光亮，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磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層沉積速率的影響
圖1為磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層沉積速率的影響。由圖1可知：磁場強(qiáng)度對沉積速率有明顯影響，隨著磁場強(qiáng)度的增大，沉積速率顯著提高；當(dāng)磁場強(qiáng)度為1T時(shí)，沉積速率達(dá)到60 g·m-2·h-l，比無外加磁場時(shí)的沉積速率提高了近2倍。在電鍍過程中引入磁場，由于磁場垂直于電場，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)對鍍液的傳質(zhì)作用有顯著影響的磁化力是磁場梯度力。磁場梯度力和磁場強(qiáng)度的平方成正比，磁場強(qiáng)度越大，鍍液的傳質(zhì)速率越快。因此，磁場可以從化學(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2為在磁場和電場作用下離子的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中FE為電場力，F(xiàn)L為洛倫茲力。由圖2可知：無外加磁場時(shí)，離子只受到電場力的作用，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)；施加磁場后，離子除了受到電場力的作用外，還受到洛倫茲力的作用，因此，帶電微粒在磁場作用下做螺旋運(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。
2.2磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層微觀形貌的影響
圖3為磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層微觀形貌的影響。由圖3可知：無外加磁場時(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；隨著磁場強(qiáng)度的增大，鍍層的孔隙率降低，氣孔逐漸減少；當(dāng)磁場強(qiáng)度為1 T時(shí)，鍍層平整，孔隙率低，微粒大小均勻。施加磁場之所以能降低鍍層的孔隙率，主要是由于洛倫茲力的磁對流效應(yīng)。
圖4為在不同磁場強(qiáng)度下所得鍍層的AFM顯微圖。由圖4可知：無外加磁場時(shí)，鍍層表面呈均勻的“瘤節(jié)狀”；當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.2 T時(shí)，鍍層表面出現(xiàn)了許多“山狀”的微粒，此時(shí)鈷在磁場力的作用下有垂直于鍍層表面生長的趨勢；當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.5 T時(shí)，鈷垂直于鍍層表面生長的趨勢越來越明顯，“山狀”的微粒越來越多；然而隨著磁場強(qiáng)度的繼續(xù)增大，鈷垂直于鍍層表面生長的趨勢開始減弱，“山狀”微粒的尖端被打碎，鍍層表面開始趨于平整。隨著磁場強(qiáng)度的不斷增大，洛倫茲力開始占主導(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，從而大大提高了鍍層表面的平整度。當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到1 T時(shí)，“山狀”的微粒基本上被洛倫茲力整平，鍍層表面呈“瘤節(jié)狀”。
2.3磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層成分的影響
引入磁場后，磁場梯度力會(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，其受到的磁場梯度力不明顯；而鈷是鐵磁性金屬，其受到的磁場梯度力較明顯，磁場梯度力使鍍液中的C02+遠(yuǎn)離電極[4]，所以鍍液中的C02+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：無外加磁場時(shí)，鍍層中鉆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%；隨著磁場強(qiáng)度的增大，鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不斷增加；當(dāng)磁場強(qiáng)度為1 T時(shí)，鍍層中鈷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到93%。
2.4磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層磁性能的影響
圖5為磁場強(qiáng)度對Co-W鍍層磁性能的影響。由圖5可知：隨著磁場強(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，當(dāng)磁場強(qiáng)度為o．5 T時(shí)，矯頑力最大，為73709A/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。在磁場作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長，形成“山狀”結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)形狀各向異性[5]；當(dāng)磁場強(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)長的微粒構(gòu)成的薄膜材料，其矯頑力較大。因此，隨著磁場強(qiáng)度的增大，鍍層的矯頑力先增大后減小。
3 結(jié)論
(1)隨著磁場強(qiáng)度的增大，沉積速率顯著提高；磁場強(qiáng)度為1 T時(shí)，沉積速率為60 g·m-2·h-l，比無外加磁場時(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)在磁場作用下，鍍層表面的微粒先垂直于鍍層表面生長，形成“山狀”結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)形狀各向異性；當(dāng)磁場強(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，當(dāng)磁場強(qiáng)度為0.5 T時(shí)，矯頑力最大，為73709 A/m。
參考文獻(xiàn)：
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