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        Na2WO4-WO3熔鹽體系高溫黏度特性分析及其對電沉積鎢的影響

        2022-04-13 06:17:10孫寧波郎少庭司江菊
        電鍍與涂飾 2022年5期
        關鍵詞:熔鹽熔體基體

        孫寧波 ,郎少庭 ,司江菊

        (1.新鄉(xiāng)學院化學與材料工程學院,河南 新鄉(xiāng) 453000; 2.佛山(華南)新材料研究院,廣東 佛山 528000)

        金屬鎢由于具有高的熔點(3 410 °C)、良好的物理化學性能以及高的抗等離子體沖刷能力、高的濺射閾值和低的氚滯留等特性,成為了核聚變面向等離子體材料(plasma facing materials,PFMs)的熱門候選材料[1-2]。然而,鎢本身質量大、成本高、加工和焊接性能差等問題限制了其應用。碳材料,如石墨和C/C纖維復合材料(CFC),由于其抗熱震性高,質量輕和強度高,已被用于PFMs[3-4]。然而,石墨或CFC在高溫下的高侵蝕率是其面臨的一個關鍵難題。目前,克服這些難題最理想的方案是在碳材料表面制備鎢涂層。當前,制備PFMs鎢涂層的常用方法有大氣等離子噴涂、化學氣相沉積、物理氣相沉積等[5-7]。雖然采用這些技術已經(jīng)成功獲得了鎢涂層,但常存在制備過程程序復雜、設備要求及成本高、容易引入有害相、涂層性能不理想(如氧含量高、孔隙率高)等問題。因此,亟需找到操作簡單、成本低、涂層性能好的PFMs鎢涂層制備技術,熔鹽電沉積技術受到了越來越多的研究者重視。

        據(jù)報道,目前關于熔鹽電沉積鎢涂層的研究主要有鹵化物體系、鹵氧混合物體系、氧化物體系等3種。其中,氧化物體系由于可以在空氣氣氛中進行,具有良好的工業(yè)應用前景[8]。在熔鹽電沉積過程中,熔鹽的黏度將直接影響電解過程和涂層質量,并對熔體流動、原子間相互作用、離子擴散速率、電流效率、電極損耗等參數(shù)的調控起到關鍵作用。然而,由于高溫實驗的困難,目前人們僅對少數(shù)體系的黏度進行了相關研究[9-10]。本工作針對尚未見報道的Na2WO4-WO3二元熔鹽體系的高溫黏度特性進行研究,分析溫度變化對體系黏度及電沉積鎢涂層性能的影響。

        1 實驗

        Na2WO4·2H2O(分析純,國藥集團化學試劑有限公司)和WO3(分析純,北京化工廠)經(jīng)773 K干燥脫水后研磨,按物質的量比3∶1混合均勻。

        1.1 黏度測試

        采用東北大學的RTW-10熔體物性測定儀來測定熔融鹽的黏度。先將混合后的鹽加入直徑40 mm的坩堝中,再將坩堝放入熔體物性測定儀內進行加熱,待熔鹽達到一定溫度后保溫0.5 h才開始測定熔體的黏度。黏度測試中以每25 K為一測定基點,每次測試前均保溫0.5 h,以確保每個點的溫度恒定,測試截止溫度為973 K。

        1.2 熔鹽電沉積

        采用尺寸為10 mm × 10 mm × 3 mm的石墨塊體作為工作電極,15 mm × 10 mm × 5 mm的純鎢塊(純度為99.95%)作為對電極進行電沉積。將上述混合鹽放入坩堝并用SB2-1.5-42電阻爐(天津中環(huán)實驗電爐有限公司)以5 K/min的速率加熱至所需溫度(973 ~ 1 223 K,每隔25 K為一個溫度點),保溫30 min后電沉積1 h,電流密度為40 mA/cm2,占空比0.3,周期10 ms。電沉積結束后,將樣品從熔鹽中取出,在空氣中冷卻,然后依次用10 mol/L NaOH溶液和去離子水進行清洗,以去除附著在涂層表面的熔鹽和雜質。

        1.3 性能測試和表征

        采用日本Rigaku的D/MAX-RB X射線衍射儀(XRD)對鎢涂層的晶體結構進行分析,采用日本JEOL的JSM6480LV型掃描電子顯微鏡(SEM)對鎢涂層的宏觀和微觀形貌進行表征。

        2 結果與討論

        2.1 溫度與熔鹽體系黏度的關系

        采用旋轉柱體法在熔體物性測定儀中分別對973、998、1 023、1 048、1 073、1 098、1 123、1 148、1 173、1 198和1 223 K下Na2WO4-WO3熔鹽體系的黏度進行了測試,結果如圖1所示。從中可以看出Na2WO4-WO3二元熔鹽體系具有低的黏度,當溫度為1 123 K時,熔鹽的黏度最小,為2.13 × 10-2Pa·s,而當溫度降低至973 K時,熔鹽的黏度增大為4.35 × 10-2Pa·s。隨溫度的升高,熔鹽的黏度呈明顯的下降趨勢。這是由于溫度升高使熔鹽內部原子間引力減小,于是分子間與增大、內摩擦力減小,離子活動性增強、自由運動加劇,熔鹽體系的流動性隨之增加[11-12]。

        為了驗證實驗結果是否滿足阿倫尼烏斯(Arrhenius)方程[即式(1),其對數(shù)形式如式(2)所示],繪制lnη-1/T關系圖并進行線性擬合,結果如圖2所示。

        其中η為黏度,A為常數(shù),Eη為粘性活化能,R為氣體常數(shù),T為溫度。

        從圖2可得出lnη與1/T之間的決定系數(shù)R2為0.990 4,大于0.99,表明它們有很好的線性關系(lnη= -6.350 76 + 3 204.61·T-1),即Na2WO4-WO3熔鹽體系在實驗范圍內的溫度與黏度的關系符合一般規(guī)律[13], 而且可信度較高[14]。由于電沉積溫度是影響涂層性能的重要參數(shù),因此本文將在不同溫度(即不同黏度)的條件下在石墨基體上進行電沉積,并對所獲得的涂層進行分析。

        圖 1 Na2WO4-WO3熔鹽溫度和黏度的關系曲線 Figure 1 Curve showing the relationship between temperature and viscosity of Na2WO4-WO3 molten salt

        圖2 Na2WO4-WO3熔鹽體系的lnη與1/T線性擬合關系圖 Figure 2 Diagram of linear fitting of lnη with 1/T for Na2WO4-WO3 molten salt

        2.2 溫度對電沉積鎢涂層的影響

        從降低能耗成本和提高涂層質量兩方面進行考慮,尋找電沉積鎢涂層的最適宜溫度范圍。以黏度3 × 10-2Pa·s為分界線(在圖1中對應于1 123 K與1 148 K之間),以5 K為一個溫度間隔,分別向更高溫度和更低溫度進行電沉積,所得鎢涂層樣品的宏觀形貌如圖3所示。實驗結果表明,溫度低至1 108 K時所沉積出的物質在形態(tài)和顏色上都與正常的鎢涂層明顯不同,石墨基體表面有橘黃色物質聚集體,并且基體表面未被完全覆蓋。當溫度升高至1 113 K時,石墨基體表面橘黃色物質減少,開始出現(xiàn)覆蓋不均勻的銀白色物質。隨著溫度逐漸升高,石墨基體表面銀白色物質逐漸增多,且其對石墨基體表面的覆蓋率逐漸增大。當溫度達到1 173 K后,石墨基體表面被均勻的銀白色涂層完全覆蓋。1 198 K時的涂層質量與1 173 K時已無差異。

        圖 3 在不同溫度(黏度)條件下電沉積所獲得的鎢涂層樣品的宏觀形貌 Figure 3 Macroscopic morphologies of tungsten coatings electrodeposited at different temperatures

        從圖4可以看出,在1 108 K條件下電沉積的樣品的XRD譜圖中顯示了2種物相,分別為NaWO3和C,從而可以推測圖3a中石墨基體表面的橘黃色物質為NaWO3,但是并沒有純鎢相的存在,這主要是由于在此溫度條件下,熔鹽具有較高的黏度,導致熔鹽中的鎢離子活動性較弱,因此無法電沉積出純鎢相。而在1 113 K條件下電沉積所獲得的樣品的XRD圖譜中顯示了3種物相,分別為NaWO3、W和C,由此可知圖3b中石墨基體表面的銀白色物質為純鎢,說明當溫度達到1 113 K時,電沉積過程中開始在石墨基體表面形成純鎢涂層。這是由于在這一溫度下,熔鹽的黏度降低到一個臨界點,此時熔體中的鎢離子活動性增強,活化能達到臨界值,使鎢離子有機會得到電子而從熔鹽中還原為鎢原子,最終在石墨基體表面形成一定量的鎢涂層。然而,1 113 K下電沉積得到的樣品表面依然存在NaWO3相,說明仍需要繼續(xù)升高溫度,使熔體具有更低的黏度,才能得到純凈的鎢涂層。當溫度升高到1 118 K時,電沉積樣品表面的XRD譜圖中不再顯示NaWO3相的峰,而只顯示了純鎢相和石墨相的峰,表明此溫度下電沉積不再生成橘黃色的NaWO3相,并且從圖3c中可以看到,石墨基體表面全部覆蓋著銀白色純鎢,只是并不均勻。這是因為此溫度下熔體黏度繼續(xù)降低,使鎢離子的活動性繼續(xù)增強,其活化能遠遠超過臨界點,鎢離子便更容易得到電子而析出鎢單質。當溫度繼續(xù)升高至1 123 K和1 148 K時,電沉積樣品表面的XRD譜圖中都仍有石墨相的衍射峰,但是其衍射峰強度隨著溫度升高有所降低,這主要是因為在這2個溫度條件下制得的樣品表面鎢涂層覆蓋不完整(如圖3d和3e所示)。當電沉積溫度繼續(xù)升高至1 173 K和1 198 K時,電沉積得到的樣品表面的XRD譜圖中只顯示了純鎢相的衍射峰,這一結果也與2個樣品的宏觀形貌(見圖3f和3g)相一致。這表明,在不低于1 173 K的溫度下進行電沉積,都將在石墨基體表面形成均勻致密的鎢涂層。換言之,當熔體黏度不大于2.58 × 10-2Pa·s時,有利于 在石墨基體表面得到覆蓋完整且均勻的鎢涂層。這主要是由于陰極周圍的鎢離子活動性增強,且它們將較快地進入相應的晶粒的晶格中,并迅速地生長連接在一起,從而形成致密、緊湊的鎢涂層。這一結果也在微觀形貌觀察中得到證實。如圖5所示,在1 173 K下電沉積1 h后獲得的鎢涂層表面致密、均勻,未發(fā)現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷。

        圖4 不同溫度下電沉積所獲得的鎢涂層的XRD圖譜 Figure 4 XRD patterns of the tungsten coatings electrodeposited at different temperatures

        圖5 在1 173 K下石墨基體表面電沉積獲得的鎢涂層表面SEM圖像 Figure 5 SEM image of the tungsten coating electrodeposited on graphite surface at 1 173 K

        3 結論

        (1) Na2WO4-WO3二元熔鹽體系在973 ~ 1 223 K的高溫下具有低的黏度。隨著溫度的升高,熔鹽體系的黏度呈明顯的下降趨勢。溫度為1 223 K時,熔鹽的黏度最小,僅為2.13 × 10-2Pa·s。

        (2) 采用Na2WO4-WO3二元熔鹽體系在石墨基體上電沉積鎢時,當溫度低于1 113 K時,無法獲得鎢涂層;當熔鹽的黏度不大于2.58 × 10-2Pa·s時,才有利于在石墨基體表面獲得完整且均勻致密的鎢涂層。該熔鹽體系電沉積鎢的適宜溫度為1 173 ~ 1 198 K。

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