本發(fā)明屬于非常規(guī)的金屬電沉積領(lǐng)域，具體涉及到在超重力環(huán)境下利用離子液體并以甲苯為添加劑合成高擇優(yōu)取向鋁鍍層的方法。

背景技術(shù)：
鋁是地殼中含量最多的金屬元素，具有良好的物理化學(xué)性質(zhì)，以鋁為基礎(chǔ)的合金廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)：如汽車、飛機(jī)等。鋁具有僅次于銀、銅的良好的導(dǎo)電性，又因?yàn)檩^低的密度和耐腐蝕性，因而在電纜中應(yīng)用廣泛。另外鋁表面的致密的氧化膜使得它耐腐性較好，因而在運(yùn)輸管道中較有價(jià)值。還有鋁的較好的導(dǎo)熱性而被用于熱交換器的制備和用作散熱材料。目前用來電沉積鋁的體系主要有高溫熔融鹽體系、有機(jī)溶劑體系和有機(jī)熔鹽體系（室溫離子液體）。高溫熔鹽體系是目前工業(yè)中廣泛采用的電解鋁的方法，但該方法存在諸多缺點(diǎn)，如：電解溫度過高（約為1000℃）、對(duì)設(shè)備的腐蝕性大、能耗大（每電解1Kg的鋁就要耗電15千瓦時(shí)）、對(duì)環(huán)境的污染大等；有機(jī)溶劑體系用于電解鋁時(shí)，雖然電解時(shí)的溫度沒有高溫熔鹽體系高，但是這種體系亦存在諸多缺點(diǎn)：溶劑易揮發(fā)、易燃、易爆、電化學(xué)窗口較低等；有機(jī)熔鹽體系（室溫離子液體）作為一種新型的溶劑體系，它有諸多優(yōu)點(diǎn)：蒸汽壓低、幾乎沒有揮發(fā)性、電化學(xué)窗口高、穩(wěn)定性高、可以操作的溫度范圍大（-90℃～400℃）等，最重要的是離子液體用于電解鋁時(shí)，在室溫或者低溫低于（100℃）下就可以把鋁電沉積出來，與高溫熔鹽體系相比較就大大降低了過程中的能耗。目前關(guān)于離子液體中電沉積鋁的研究有很多，許多研究者都能從離子 液體中得到附著良好、光澤較好的沉積層，但是離子液體的粘度通常較大，所以電沉積過程中的采用的電流密度通常較小，在沒有任何添加劑的情況下，只能得到分布不均勻的沉積層。研究者在添加劑方面也進(jìn)行了探索，添加劑對(duì)離子液體電沉積的影響主要表現(xiàn)在改變體系的物化性質(zhì)如粘度、電導(dǎo)率，或者離子的絡(luò)合狀態(tài)。一般認(rèn)為是它們能夠吸附在陰極表面上形成緊密的有機(jī)物吸附層，對(duì)電流的通過有一定的阻滯作用，因而使電極反應(yīng)的超電壓升高，從而獲得光亮、平整的鍍層。所以它們中有不少可作為光亮劑或整平劑。添加劑一般分為：光亮劑：甲苯、丙炔醇、丁炔二醇，糖精，聚乙二醇；整平劑：氯化膽堿，炔類化合物及其衍生物。超重力技術(shù)是一種過程強(qiáng)化技術(shù)，在超重力環(huán)境下，存在快速更新的界面，分子與分子之間的接觸更為充分，分子的擴(kuò)散速度和傳遞速度顯著地增加，把超重力技術(shù)應(yīng)用在離子液體中電沉積鋁的過程中就可能強(qiáng)化離子的遷移速度和電沉積速度，從而改善沉積層的質(zhì)量等。本申請(qǐng)人設(shè)計(jì)出一臺(tái)超重力電沉積裝置，于2011年的專利（中國專利CN102181888A）中公開，并于2012年授權(quán)（中國專利CN102181888B）。該裝置能在較高轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行，可以得到分布更均勻、色澤更好的沉積層。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是在離子液體電沉積鋁的基礎(chǔ)上，利用超重力機(jī)器產(chǎn)生超重力場(chǎng)，并在電沉積體系中添加甲苯為共溶劑，改善沉積層的質(zhì)量，從而獲得平整、光亮的高擇優(yōu)取向鋁鍍層（111晶面峰位強(qiáng)度占總體峰位的比例大于99%）。超重力場(chǎng)應(yīng)用于電沉積，可以加快離子液體中陰陽離子的遷 移速率，促進(jìn)傳質(zhì)。超重力引入的徑向的攪拌力（優(yōu)選的為超重力方向平行于電極板）使得在相同的電流密度下可以降低槽電壓，更有利于反應(yīng)的進(jìn)行。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法為：以鋁片或鋁基復(fù)合材料為陽極，不銹鋼片為陰極，以添加甲苯的氯鋁酸鹽離子液體為電解液，以惰性氣體為保護(hù)氣體，通過電解槽的離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生超重力場(chǎng)，從而在超重力場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)電沉積鋁的過程，最終獲得致密光亮的高擇優(yōu)鋁鍍層。本發(fā)明所用的離子液體體系為氯鋁酸鹽離子液體：AlCl3-BMIC(氯化1-丁基-3-甲苯咪唑鹽)。AlCl3-BMIC的摩爾配比固定在2:1，因?yàn)樵诖四柵浔认?，生成Al的中間產(chǎn)物Al2Cl7-的濃度最高。該類離子液體合成的電解液的主要缺點(diǎn)是對(duì)空氣中的水分很敏感，且容易被空氣中的氧氣氧化而變質(zhì)，因此合成和電解過程中都要通有惰性氣體保護(hù)。實(shí)驗(yàn)中所用保護(hù)氣為惰性氣體（氮?dú)饣驓鍤猓?。添加劑甲苯的體積分?jǐn)?shù)為40～70%。甲苯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，甲苯與離子液體不能很好的互溶。本發(fā)明所添加的共溶劑甲苯為化工行業(yè)中優(yōu)良的有機(jī)溶劑，在離子液體電解液中攪拌后能均勻混合，且可以顯著提高離子液體體系的電導(dǎo)率，同時(shí)大幅度降低體系的粘度，有利于電沉積過程的進(jìn)行。但缺點(diǎn)是：甲苯屬于低毒性有機(jī)物，有一定的揮發(fā)性。溫度高于常溫時(shí)容易出現(xiàn)甲苯的少量揮發(fā)，所以系統(tǒng)更需要有惰性氣體保護(hù)，并處于密閉環(huán)境中，以達(dá)到安全操作。在電解過程中，利用超重力機(jī)的離心旋轉(zhuǎn)提供超重力環(huán)境，超重力系數(shù)G的變化范圍為1～200，優(yōu)選50～100（G=ω2r/g=N2π2r/900g，機(jī)器轉(zhuǎn) 速為0時(shí)的超重力系數(shù)定為1，此時(shí)為常重力）。一般陰、陽兩電極分別固定在電解槽蓋上，且兩電極平行放置，間距影響不大，一般間距約為15mm。在陰、陽兩極間通以直流電進(jìn)行電解，電流密度范圍10～50mA/cm2，槽電壓0.8～3.0V（本發(fā)明的常重力情況下為3.0V），陽極材料溶解于電解液中補(bǔ)充鋁源，同時(shí)電解液中的鋁離子移動(dòng)到陰極表面并以單質(zhì)鋁沉積析出。電解溫度控制在50～80℃。保護(hù)氣為純度大于99.99%的惰性氣體。將電解后所得的鋁鍍層先后置于丙酮和無水乙醇中浸泡清洗，以出去附著在表面的離子液體等其他雜質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，首次用超重力技術(shù)合成了高擇優(yōu)取向的鋁鍍層。超重力可以強(qiáng)化對(duì)流和擴(kuò)散過程，促進(jìn)離子傳質(zhì)，提高電沉積速率，縮短鋁的制備周期。超重力下得到的鋁顆粒更細(xì)，鍍層更加致密，避免枝晶的產(chǎn)生。獲得更加致密平整的鋁鍍層，避免鋁枝晶的產(chǎn)生。超重力場(chǎng)所伴隨的機(jī)械效應(yīng)使合成的鋁鍍層具有更強(qiáng)的附著能力，解決了目前電沉積領(lǐng)域鍍層容易脫落的問題；甲苯作為共溶劑降低體系粘度，增大體系電導(dǎo)率，且在甲苯存在下，鋁顆粒更加細(xì)化。并且在高濃度甲苯時(shí)形成高擇優(yōu)結(jié)構(gòu)，衍射峰類似單晶鋁，強(qiáng)度也接近。在超重力環(huán)境下，添加劑甲苯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到40%以上時(shí)，可以獲得單一擇優(yōu)晶面的鋁鍍層。這種高擇優(yōu)鍍層比不添加甲苯合成的鍍層具有更加致密的結(jié)構(gòu)，且抗腐蝕性能和機(jī)械性能等明顯提高。附圖說明圖1為超重力離子液體電沉積鋁裝置構(gòu)造圖；圖2為電解槽內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；圖3為常重力下鍍層的表面分布效果圖；圖4為超重力下鍍層的表面分布效果圖；圖5為超重力下高擇優(yōu)鋁鍍層的晶體結(jié)構(gòu)圖；圖6為常重力下鋁鍍層的晶體結(jié)構(gòu)圖。圖中，1-直流穩(wěn)壓電源，2-工作電極，3-對(duì)電極，4-電解槽，5-平衡物，6-電機(jī)，7-導(dǎo)電滑環(huán)，8-熱電阻，9-加熱管，10-水浴。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖說明和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。采用的裝置如圖1所示，其中的電解槽的結(jié)構(gòu)見圖2，超重力場(chǎng)是通過轉(zhuǎn)子使得電解槽4與平衡物5離心旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，轉(zhuǎn)速是通過電機(jī)6所連接的變頻器控制的，通過設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速得到不同的超重力系數(shù)G。電解過程所需的直流電由直流穩(wěn)壓電源1提供，并通過銀制導(dǎo)電滑環(huán)7輸送到工作電極2與對(duì)電極3上。電解溫度由熱電阻8與加熱管9所連接的PID溫控儀來控制。電沉積過程中離心軸的降溫采用轉(zhuǎn)軸里面的軸冷卻裝置通以冷卻水來降溫。電極3為可溶性鋁片，在電解過程中不斷溶解于電解液中提供鋁源，所得的鋁沉積層在超重力的作用下附著在工作電極2上，電解結(jié)束后用丙酮和無水乙醇洗。以下將結(jié)合實(shí)例予以闡述。實(shí)施例1：在三口燒瓶中通以氮?dú)獗Ｗo(hù)下，配置AlCl3-BMIC（1-丁基-3-甲基咪唑氯酸鹽），將研磨后的細(xì)小無水AlCl3粉末少量多次緩慢加入燒瓶中，使得 AlCl3與BMIC的摩爾配比為2:1，加完后攪拌約2小時(shí)。以該離子液體為電解液，添加甲苯為共溶劑，不銹鋼片為陰極，可溶性鋁基復(fù)合材料為陽極，兩電極平行于離心力方向放置，固定極間距，設(shè)置一定的超重力系數(shù)進(jìn)行電沉積實(shí)驗(yàn)。電解過程中可設(shè)置一定的電沉積溫度、電流密度、反應(yīng)時(shí)間和配置不同的添加劑濃度，考察這些因素對(duì)鍍層的影響，找到能夠合成高擇優(yōu)鋁鍍層的電沉積條件范圍。實(shí)驗(yàn)開始前，電極片先進(jìn)行以下的預(yù)處理過程：分別用P100、P400、P1200的砂紙先后打磨光滑，然后浸沒在丙酮中超聲清洗5min，然后再浸沒在5wt%的HCl中5min除去表面的氧化層，最后分別用無水乙醇和去離子水清洗，晾干后備用；鋁基復(fù)合材料用配置好的H3PO4、H2SO4和HNO3的混合液（體積比為70%:25%:5%）電化學(xué)拋光清洗，然后用去離子水沖洗后放入丙酮中超聲清洗5min，最后用去離子水清洗后晾干備用。電解槽先用去離子水清洗2～3次，再用無水乙醇清洗2次，烘干后加入適量的離子液體和甲苯，配重杯里加入與電解槽這邊同樣質(zhì)量的配重物以保持平衡。兩電極片分別用螺絲固定在電解槽上端的密封蓋上，通入惰性氣體，控制轉(zhuǎn)速，電極間通以電流，即可進(jìn)行超重力電沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將陰極不銹鋼片先在甲苯中清洗以除去附著在鍍層表面的離子液體，然后在乙二醇中清洗，最后用無水乙醇清洗并晾干。實(shí)驗(yàn)開始前先用電子天平稱不銹鋼片的質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后清洗不銹鋼片晾干后再稱重，用以計(jì)算陰極電流效率。在溫度為70℃，電流密度為30mA/cm2，電沉積時(shí)間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分?jǐn)?shù)60%的電解液中進(jìn)行恒電流電沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下表：實(shí)施例2：利用本發(fā)明所述的方法，在添加體積分?jǐn)?shù)大于40%甲苯的AlCl3-BMIC（摩爾配比2:1）的離子液體中進(jìn)行恒電流電沉積鋁實(shí)驗(yàn)。用實(shí)例1中的實(shí)驗(yàn)方法合成離子液體。實(shí)驗(yàn)中工作電極采用不銹鋼片，對(duì)電極采用鋁基復(fù)合材料，電極片的處理方法和電沉積結(jié)束后所得到的沉積物均采用實(shí)例1中的方法。電極片沉積前后均采用電子天平稱重。在超重力系數(shù)為100（轉(zhuǎn)速為736r/min），電流密度為30mA/cm2，電沉積時(shí)間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分?jǐn)?shù)60%的電解液中進(jìn)行恒電流電沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下表：實(shí)施例3：利用本發(fā)明所述的方法，采用實(shí)例1中所用方法進(jìn)行電沉積實(shí)驗(yàn)。在超重力系數(shù)為100（轉(zhuǎn)速為736r/min），溫度為70℃，電沉積時(shí)間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分?jǐn)?shù)大于40%的電解液中進(jìn)行恒電流電沉積實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下表：