通过磁场辅助喷射电沉积技术制备的高性能Ni-SiC复合涂层，其红外发射率得到显著提升

《Surface and Coatings Technology》：High-performance Ni-SiC composite coatings with enhanced infrared emissivity via magnetic field-assisted jet electrodeposition

高红外发射率涂层制备方法及性能优化研究。采用磁辅助射流电沉积技术结合SiC颗粒制备镍基复合涂层，在100mT磁场下镍颗粒涂层发射率达0.80，较传统电沉积法提升4.1倍。当SiC浓度达6g/L时复合涂层发射率提升至0.94，通过表面形貌调控和功能材料协同作用实现性能突破。

　　

摘要

高红外发射率涂层在航空航天和电子设备中具有重要的工程价值。本研究提出了一种利用磁场辅助喷射电沉积法制备高红外发射率涂层的新方法。磁场辅助喷射电沉积技术可用于制备具有粗糙结构的涂层，在100 mT的磁场强度下，镍颗粒涂层的红外发射率可达到0.80，这比传统电沉积法制备的镍涂层（0.155）有了显著提高。通过将磁场辅助喷射电沉积与SiC颗粒结合，制备出了具有高红外发射率的镍基SiC复合涂层。与镍颗粒涂层相比，镍基SiC复合涂层的红外发射率进一步得到提升，在SiC颗粒浓度为6 g/L时，其红外发射率达到了0.94。磁场辅助喷射电沉积与SiC颗粒的协同效应使得镍涂层能够具备高红外发射率。

引言

随着涂层制备技术的快速发展，高红外发射率的涂层在航空航天和电子设备中的应用日益广泛[1,2]。制备高红外发射率涂层是提高红外辐射散热能力的有效途径[3]。涂层的红外发射率主要取决于材料成分和表面微观结构的影响[4,5]。通过构建粗糙表面并引入高红外发射率材料（如尖晶石结构的CuFe?O?颗粒和SiC），可以实现高红外发射率表面的制备[6,7]。此外，航天器中的电子元件在运行过程中可能因过热而发生故障。电子元件的集成以及功率的显著增加导致了过热现象，从而影响了设备的使用寿命[8,9]。高红外发射率涂层可以通过改变其辐射特性来降低过热的可能性。因此，开发新型高发射率涂层具有极高的工程应用价值。

由于SiC颗粒优异的红外发射性能，它们被广泛用作制备高红外发射率复合涂层的添加剂相[10]。镍因其优异的耐磨性、高硬度和耐腐蚀性而在功能涂层领域得到广泛应用[11,12]。然而，镍的相对较低红外发射率限制了其在高红外发射率涂层中的应用。将SiC颗粒引入镍涂层中有望在保持其耐腐蚀性的同时提高其红外发射率。

以往用于制备高红外发射率涂层的技术包括大气等离子喷涂[13]、微弧氧化[14]和溶胶-凝胶法[15]。但这些方法工艺复杂、对设备要求严格且成本较高，限制了它们的应用。电沉积法因其工艺简单、成本低廉而被广泛用于镍涂层的制备[16]。特别是通过在镀液中添加功能性颗粒来配置复合镀液，可以制备出多种复合涂层[17]。磁场辅助喷射电沉积是在传统电沉积基础上引入磁场和喷射技术的改进方法，该方法能够改善镀液中的质量传输、提高沉积质量并加快沉积速度[18,19]。将铁磁镍颗粒与磁场辅助喷射电沉积结合使用，可以获得具有粗糙结构的涂层表面[20]。当镀液中存在铁磁镍颗粒时，磁场会在阴极处捕获并诱导铁磁镍颗粒沉积在涂层中，同时形成大量的树枝状晶簇[20]。此外，铁磁镍颗粒还可以作为其他功能性材料的载体，有效促进这些材料的大规模引入[16,21,22]。铁磁镍颗粒与磁场辅助喷射电沉积的结合有望在镍涂层中形成粗糙表面，并大规模引入SiC颗粒，其协同作用进一步提升了涂层的红外发射率。

本文利用磁场辅助喷射电沉积结合铁磁镍颗粒制备了具有树枝状结构的镍颗粒涂层，研究了磁场强度对镍颗粒涂层红外发射率的影响，并进一步分析了镍颗粒涂层红外发射率增强的机制。同时制备了镍基SiC复合涂层，研究了SiC颗粒浓度对涂层红外发射率的影响，并评估了不同SiC浓度下涂层的硬度和结合性能。还评估了纯镍涂层、镍颗粒涂层和镍基SiC复合涂层的耐腐蚀性。本研究为开发低成本、高红外发射率的下一代涂层提供了一种方法。

实验材料

本实验使用的基础镀液为Watt镀液，该镀液因稳定性优异而广泛应用于镍基涂层的制备[12,16]，其具体组成和含量如表1所示。实验中使用的所有试剂均为分析纯级试剂。镀液采用去离子水配制。实验中使用了粒径为1 μm的SiC颗粒（来自中迈金属材料有限公司）。

表面表征

为了研究SiC颗粒对镍涂层形态和成分的影响，在100 mT磁场条件下制备了三种样品：纯镍涂层、含有镍颗粒的镍涂层以及同时含有镍颗粒和SiC颗粒的镍涂层（图4(a)）。铝基底的表面呈现出明亮的金属光泽（图4(a)）。磁场对纯镍涂层形态的影响较小，其表面形态

结论

在航空航天和电子领域，对高红外发射率涂层的需求日益旺盛，提高涂层的综合性能已成为关键研究方向。本研究重点关注通过磁场辅助喷射电沉积法制备镍基SiC复合涂层，旨在制备具有高红外发射率且具有一定耐腐蚀性的涂层。在本实验中，磁场

CRediT作者贡献声明

王静思：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、方法学设计、实验设计、数据分析、概念构建。刘双：方法学设计、实验设计。娄贵斌：撰写 – 审稿与编辑、可视化处理、数据验证、数据分析、概念构建。陈雅：方法学设计、数据分析。庞浩哲：方法学设计、数据分析、概念构建。宋亚超：项目监督。Syed Mesum Raza Naqvi：撰写

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52275433）、安徽省自然科学基金（项目编号：2008085ME149）以及安徽大学科研重点项目（项目编号：2022AH040247）的支持。作者还对在实验指导与协助方面付出努力的各位表示衷心的感谢。