本發(fā)明屬于非常規(guī)的金屬電沉積領域，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：
鋁是地殼中含量最多的金屬元素，具有良好的物理化學性質，以鋁為基礎的合金廣泛應用于各個行業(yè)：如汽車、飛機等。鋁具有僅次于銀、銅的良好的導電性，又因為較低的密度和耐腐蝕性，因而在電纜中應用廣泛。另外鋁表面的致密的氧化膜使得它耐腐性較好，因而在運輸管道中較有價值。還有鋁的較好的導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、有機溶劑體系和有機熔鹽體系（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，如：電解溫度過高（約為1000℃）、對設備的腐蝕性大、能耗大（每電解1Kg的鋁就要耗電15千瓦時）、對環(huán)境的污染大等；有機溶劑體系用于電解鋁時，雖然電解時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：溶劑易揮發(fā)、易燃、易爆、電化學窗口較低等；有機熔鹽體系（室溫離子液體）作為一種新型的溶劑體系，它有諸多優(yōu)點：蒸汽壓低、幾乎沒有揮發(fā)性、電化學窗口高、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，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行了探索，添加劑對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如粘度、電導率，或者離子的絡合狀態(tài)。一般認為是它們能夠吸附在陰極表面上形成緊密的有機物吸附層，對電流的通過有一定的阻滯作用，因而使電極反應的超電壓升高，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。超重力技術是一種過程強化技術，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，分子的擴散速度和傳遞速度顯著地增加，把超重力技術應用在離子液體中電沉積鋁的過程中就可能強化離子的遷移速度和電沉積速度，從而改善沉積層的質量等。本申請人設計出一臺超重力電沉積裝置，于2011年的專利（中國專利CN102181888A）中公開，并于2012年授權（中國專利CN102181888B）。該裝置能在較高轉速下長時間穩(wěn)定運行，可以得到分布更均勻、色澤更好的沉積層。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是在離子液體電沉積鋁的基礎上，利用超重力機器產(chǎn)生超重力場，并在電沉積體系中添加甲苯為共溶劑，改善沉積層的質量，從而獲得平整、光亮的高擇優(yōu)取向鋁鍍層（111晶面峰位強度占總體峰位的比例大于99%）。超重力場應用于電沉積，可以加快離子液體中陰陽離子的遷 移速率，促進傳質。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，更有利于反應的進行。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的方法為：以鋁片或鋁基復合材料為陽極，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，以惰性氣體為保護氣體，通過電解槽的離心旋轉產(chǎn)生超重力場，從而在超重力場中實現(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，因為在此摩爾配比下，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是對空氣中的水分很敏感，且容易被空氣中的氧氣氧化而變質，因此合成和電解過程中都要通有惰性氣體保護。實驗中所用保護氣為惰性氣體（氮氣或氬氣）。添加劑甲苯的體積分數(shù)為40～70%。甲苯體積分數(shù)達到70%時，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率，同時大幅度降低體系的粘度，有利于電沉積過程的進行。但缺點是：甲苯屬于低毒性有機物，有一定的揮發(fā)性。溫度高于常溫時容易出現(xiàn)甲苯的少量揮發(fā)，所以系統(tǒng)更需要有惰性氣體保護，并處于密閉環(huán)境中，以達到安全操作。在電解過程中，利用超重力機的離心旋轉提供超重力環(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，機器轉 速為0時的超重力系數(shù)定為1，此時為常重力）。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充鋁源，同時電解液中的鋁離子移動到陰極表面并以單質鋁沉積析出。電解溫度控制在50～80℃。保護氣為純度大于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。本發(fā)明的優(yōu)點在于，首次用超重力技術合成了高擇優(yōu)取向的鋁鍍層。超重力可以強化對流和擴散過程，促進離子傳質，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，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。超重力場所伴隨的機械效應使合成的鋁鍍層具有更強的附著能力，解決了目前電沉積領域鍍層容易脫落的問題；甲苯作為共溶劑降低體系粘度，增大體系電導率，且在甲苯存在下，鋁顆粒更加細化。并且在高濃度甲苯時形成高擇優(yōu)結構，衍射峰類似單晶鋁，強度也接近。在超重力環(huán)境下，添加劑甲苯體積分數(shù)達到40%以上時，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構，且抗腐蝕性能和機械性能等明顯提高。附圖說明圖1為超重力離子液體電沉積鋁裝置構造圖；圖2為電解槽內部結構圖；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)鋁鍍層的晶體結構圖；圖6為常重力下鋁鍍層的晶體結構圖。圖中，1-直流穩(wěn)壓電源，2-工作電極，3-對電極，4-電解槽，5-平衡物，6-電機，7-導電滑環(huán)，8-熱電阻，9-加熱管，10-水浴。具體實施方式以下結合附圖說明和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。采用的裝置如圖1所示，其中的電解槽的結構見圖2，超重力場是通過轉子使得電解槽4與平衡物5離心旋轉產(chǎn)生的，轉速是通過電機6所連接的變頻器控制的，通過設定不同的轉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，并通過銀制導電滑環(huán)7輸送到工作電極2與對電極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，電解結束后用丙酮和無水乙醇洗。以下將結合實例予以闡述。實施例1：在三口燒瓶中通以氮氣保護下，配置AlCl3-BMIC（1-丁基-3-甲基咪唑氯酸鹽），將研磨后的細小無水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。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，設置一定的超重力系數(shù)進行電沉積實驗。電解過程中可設置一定的電沉積溫度、電流密度、反應時間和配置不同的添加劑濃度，考察這些因素對鍍層的影響，找到能夠合成高擇優(yōu)鋁鍍層的電沉積條件范圍。實驗開始前，電極片先進行以下的預處理過程：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，控制轉速，電極間通以電流，即可進行超重力電沉積實驗。實驗結束后，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。實驗開始前先用電子天平稱不銹鋼片的質量，實驗結束后清洗不銹鋼片晾干后再稱重，用以計算陰極電流效率。在溫度為70℃，電流密度為30mA/cm2，電沉積時間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分數(shù)60%的電解液中進行恒電流電沉積實驗。實驗條件和實驗結論如下表：實施例2：利用本發(fā)明所述的方法，在添加體積分數(shù)大于40%甲苯的AlCl3-BMIC（摩爾配比2:1）的離子液體中進行恒電流電沉積鋁實驗。用實例1中的實驗方法合成離子液體。實驗中工作電極采用不銹鋼片，對電極采用鋁基復合材料，電極片的處理方法和電沉積結束后所得到的沉積物均采用實例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（轉速為736r/min），電流密度為30mA/cm2，電沉積時間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分數(shù)60%的電解液中進行恒電流電沉積實驗。實驗條件和實驗結論如下表：實施例3：利用本發(fā)明所述的方法，采用實例1中所用方法進行電沉積實驗。在超重力系數(shù)為100（轉速為736r/min），溫度為70℃，電沉積時間為1h，AlCl3與BMIC的摩爾比為2:1，甲苯體積分數(shù)大于40%的電解液中進行恒電流電沉積實驗。實驗條件和實驗結論如下表：