制备块体纳米晶镍的方法及电沉积装置与流程

本发明涉及一种纳米晶镍材料的制备方法及装置，特别是涉及一种电沉积法制备纳米晶镍材料的制备方法及装置，应用于电化学和材料科学技术领域。

背景技术：

粗晶镍是一种延展性好并有铁磁性的面心立方金属。而纳米镍由于其晶粒尺寸小、以及界面效应的影响使得其硬度、耐磨性、弹塑性、光电性等方面与`传统粗晶镍材料不同，具有优异的性能。纳米镍颗粒由于其尺寸小、比表面积大、表面原子数较多和表面原子的配位不饱和性导致其表面活性位增多，具有较高的催化活性，已成为一种新型高效催化剂，广泛用于加氢、偶联、氧化等过程。电镀镍层经过研磨后得到明亮的镜面，可作为装饰镀层；电镀镍及其合金可大大提高基体表面的耐腐蚀性和耐磨性。

纳米晶镍材料的制备方法有多种。例如：惰性气体凝聚原位加压法(文献1，sandersp.g.,improvementsinthesynthesisandcompactionofnanocrystallinematerials.nanostructured.mater,1997,8:243-258)、严重塑性变形法(文献2，salishchevg,nano-crystallinestructureformationduringsevereplasticdeformationinmetalsandtheirdeformationbehavior.nanost.mater,1995,6:913-924)、电沉积法(文献3，erbu.,thesynthesis,structure,andpropertiesofelectroplatednanocrystallinematerials.nanostr.mater,1993,2(4):383-396)等。其中，原位加压法适用范围广、微粉表面洁净，但工艺设备复杂，产量极低，所制备的纳米晶样品存在大量微孔隙，这对纳米材料的结构性能研究及某些性能的提高极其不利。严重塑性变形法可以得到大块的100％纳米晶材料，有利于研究其力学性能，但是对于面心立方结构的纯金属，这种方法所得到的纳米材料的晶粒尺寸大部分大于100nm，且晶粒尺寸分布宽，大部分晶粒在几百纳米至1μm之间。而由电沉积技术制备的金属材料具有界面清洁、晶粒尺寸分布窄、致密度高等优点。近10年里，电沉积纳米镍被广泛作为模型材料用于研究纳米晶的力学行为与变形机制，揭示了纳米材料内部固有的变形行为，并进行了深入一步的定量分析。如s.x.mcfadden等人(文献4，s.x.mcfadden,low-temperaturesuperplasticityinnanostructurednickelandmetalalloys.nature,1999.398:684-686)在1999年研究了电沉积纳米镍和纳米合金镍-铝在较低温度下的超塑性变形。zeljkabudrovic等人在2004年利用xrd技术，(文献5，zeljkabudrovic,plasticdeformationwithreversiblepeakbroadeninginnanocrystallinenickel.science，2004，304：273-276)研究了电沉积纳米镍在塑性变形过程中会产生一个可回复的应变扩展，存在较少的位错，这个新观点证明了电沉积纳米晶属材料中较少存在加工硬化，也阐明了在变形过程中，除晶粒尺寸外，还有孪晶密度和亚晶界等显微结构的影响。

电沉积纳米晶镍优异的力学性能和特殊的屈服和塑性变形机制，引起了人们极大的兴趣和广泛关注。在电沉积法制备纳米晶镍的过程中，人们将事先设计好的阴极浸入镍盐电解液中，在电流的作用下，阳极溶解，ni²⁺向阴极移动，并在阴极上沉积出镍，利用电沉积法制备出的纳米晶镍，其厚度取决于电流密度和时间，随着电流密度的增大以及时间的延长，镀层越厚。(文献6，mordechayschlesinger,modernelectroplating.)，在电沉积过程中，阴极反应为：

ni²⁺+2e^-→ni

2h⁺+2e^-→h2↑

阳极反应为：

ni-2e^-→ni²⁺

2h2o-4e^-→4h⁺+o2↑

随着电沉积时间的延长，阴极上析出的氢气越多，沉积的镀层缺陷越多，表面有凹陷，镀层内部也存在氢气泡孔洞，镀层结合力较差，因此电沉积镍层都很薄，电沉积时间过长，镀层就会变成粉末，不能成为固体材料，更不能做出块体纳米晶镍。

因此，目前国内外电沉积纳米镍都是厚度500μm以下的薄膜。薄膜只能附着在基体表面，作装饰或者提高基体的耐蚀性、耐磨性等，却不能做成块体材料而发挥其优异的力学性能。而且在拉伸力学性能测试中，薄膜的样品将会弹性失稳，过早发生断裂，比如越薄的样品，对表面小裂纹的扩展越敏感而且电沉积镍内部缺陷会极大地影响其性能。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种制备块体纳米晶镍的方法及电沉积装置，能有效控制电沉积过程中由于阴极氢气析出而产生的缺陷，从而提供一种能高效、经济地制备块体纳米晶镍的电沉积装置和方法，所制得的块体镍内部缺陷少，力学性能优异。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种制备块体纳米晶镍的电沉积装置，主要包括电沉积电源、电沉积槽、阳极和阴极，将电解液注入电沉积槽中形成电解池，将阳极和阴极浸入电解池中，将阳极、阴极分别通过导线与电沉积电源的正极和负极对应电连接，在电解池中由阳极和阴极构成回路；阴极作为电沉积基体，在电场的作用下，使电解池中的金属离子沉积到阴极的表面，阳极为金属镍制成的电沉积阳极；设置搅拌器，并利用搅拌器对电解池中的电解液进行搅拌，使电解液中的金属阳离子的浓度均匀；通过固定装置将电动机的转动输出轴与阴极固定连接，组成除气装置，利用电动机驱动阴极进行旋转，从而甩掉在阴极表面产生的气泡；电沉积槽通过电解池盖子进行密封，使电解液与外界隔离。

作为本发明优选的技术方案，电解池盖子采用绝缘材料制成，阳极和阴极分别从电解池盖子的安装孔穿过。

作为本发明优选的技术方案，搅拌器为磁力搅拌装置，在电沉积槽下方设置磁力驱动装置，将磁力搅拌子设置于电解池中，通过搅拌作用使电解液成分均匀。

作为本发明优选的技术方案，电动机的转动输出轴与电沉积电源的负极电连接，形成电沉积电源的正极、阳极、电解液、阴极、电动机的转动输出轴和电沉积电源负极依次导电连接的回路。

作为本发明优选的技术方案，阴极的转速为500～20000rpm，用于带动阴极转动。

作为本发明优选的技术方案，阴极为镍金属板、镍棒、不锈钢棒或者镍金属丝，固定装置为夹头装置，利用钻夹头装置将阴极与电动机的转动输出轴固定连接；当阴极采用直径不低于0.02mm的镍丝时，用环氧板固定镍丝，并进行拉直，剪出长度不大于100mm的镍丝，将尼龙螺丝固定在环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧，环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来，采用不锈钢棒，将环氧板上端凸出来部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，使镍丝和不锈钢棒之间保持电流通路，接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧，从而将电动机、不锈钢棒和阴极镍丝连接在一起，形成在高速下运转也不会发生分离的一体结构形式的阴极基体；当阴极采用厚度不低于2mm的镍金属板时，将镍金属板上端部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定镍金属板，使镍金属板和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的钻夹头夹紧，从而将电动机、不锈钢棒和阴极板连接在一起，形成在高速下运转也不会发生分离的一体结构形式的阴极基体。本发明制备块体纳米晶镍的装置和方法是先用电动机钻夹头固定阴极基体，使得钻夹头和阴极基体可以做高速同心转动并不发生滑落。之后用导线将电源的正负两极分别接到阳极和电动机的支架上，再将阴极和阳极分别缓慢浸入电解液里。打开电动机，使其高速转动，接通电源并设定电流，经过一段时间的电沉积之后，即可制得一定尺寸的纳米晶镍。

作为本发明优选的技术方案，电动机的固定部分固定安装在支架上，电动机的转动输出轴与支架形成导电连接电路，用导线连接电沉积电源的负极和电动机的支架，导线的端部夹头夹在支架上实现导电，使电流通过电动机的转动输出轴被传输到阴极，然后依次通过电解液、阳极，最后通过另一根导线连接到电沉积电源的正极，形成电流回路。

一种制备块体纳米晶镍的方法，采用本发明制备块体纳米晶镍的电沉积装置制备块体纳米晶镍，其方法包括如下步骤：

a.配制镀镍电解液：

将镀镍电解液配制好之后，倒入电解池中，再用盖子盖好，将电沉积槽放在磁力搅拌器上面，把磁力搅拌子放入电解液中，打开磁力搅拌器开关，使磁力搅拌子匀速转动，对电解液进行搅拌；

b.电极系统组装：

通过钻夹头将电动机的转动输出轴和阴极基体的一端进行固定，使阴极与电动机的转动输出轴形成同步转动机构；将阴极和阳极分别浸入电解液中，使阴极和阳极平行放置，阴极和阳极的距离为不少于30mm，组成电极系统；

c.连接电路：

用一根导线将电沉积电源正极和阳极相连，用另一根导线连接电沉积电源的负极和电动机的转动输出轴，形成电沉积电源正极、阳极、电解液、阴极基体、电动机的转动输出轴和电沉积电源负极依次连接的电流回路，完成电沉积装置的安装；

d.电沉积装置的启动：

在步骤c中完成电沉积装置的安装后，打开搅拌器，将转速调至不低于10rpm，匀速搅拌电解液，在电沉积过程中用于消除由于离子电沉积消耗阳离子而导致的电解液中的浓度差，使电解液中阳离子浓度均匀化；

e.实施电沉积工艺：

在步骤c中完成电沉积装置的安装后，按照预计的电流密度来计算通过电路中的电流，并由预沉积镍的质量计算并设置电沉积的时间，打开电源开始电沉积；在电沉积过程中，利用搅拌器使电解液中阳离子浓度均匀化，在电沉积过程中，还打开电动机，将电动机转速调到不低于500rpm，高速转动阴极能快速甩掉在阴极表面产生的气泡，减少电沉积镍的内部气孔缺陷；经过设定电沉积时间后，得到所期望尺寸的块体纳米晶镍材料件。

作为本发明优选的技术方案，电沉积电源施加电能，进行电沉积制备块体纳米晶镍的电流密度不超过0.1ma/mm^-2。

作为本发明优选的技术方案，在阴极表面沉积镍的厚度不低于1mm，得到块体纳米晶镍材料。

本发明制备块体纳米晶镍的方法，是在上述制备装置上进行电沉积，进行配置镀镍电解液：将镀镍电解液配置好之后倒入上述的电解池中。电沉积电源可为直流电源、交流电源或脉冲电源，本发明将配置好的电解液放在磁力搅拌器上面，把磁力棒放入电解液中，打开磁力搅拌器开关，进行搅拌。进行固定阴极：阴极基体可以通过电动机钻夹头固定。进行放置阴极和阳极：将阴极和阳极分别浸入电解液中。进行连接电路：用导线将电源正极和阳极镍相连。用另一根导线连接电源负极和电动机，只要将导线夹头夹在电动机支架上，即可形成电源正极、阳极镍、电解液、阴极基体、电动机和电源负极这样的回路。打开搅拌器，将转速调至10rpm以上，匀速搅拌溶液，在电沉积过程中用于消除由于离子电沉积消耗阳离子而导致的溶液中的浓度差；打开电动机，将转速缓慢调到至少500rpm以上。在电沉积过程中，高速转动阴极能快速甩掉如上的氢气气泡，减少电沉积镍的内部气孔缺陷。按照预计的电流密度来计算通过电路中的电流，并由预沉积镍的质量计算并设置电沉积的时间，打开电源开始电沉积。经过设定时间后，即可得到所期望尺寸的块体纳米晶镍。本发明制备块体纳米晶镍的装置和方法是先用电动机钻夹头固定阴极基体，使得钻夹头和阴极基体可以做高速同心转动并不发生滑落。之后用导线将电源的正负两极分别接到阳极和电动机的支架上，再将阴极和阳极分别缓慢浸入电解液里。打开电动机，使其高速转动，接通电源并设定电流，经过一段时间的电沉积之后，即可制得一定尺寸的纳米晶镍。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明方法简单、成本很低；保持阴极高速旋转，即可大大减少沉积镍的气孔缺陷；

2.本发明所制得的镍棒尺寸较大且具有优异的力学性能，这使得其具有很强的应用价值，并且首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达1mm及以上，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此本发明方法具有极大的研究与应用价值；

3.本发明装置和方法能够简单、经济地制备块体镍棒，所制得的块体纳米晶镍几乎无气孔缺陷且机械性能好。

附图说明

图1为本发明实施例一制备块体纳米晶镍的电沉积装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一采用的不锈钢圆棒。

图3为本发明实施例一采用的固定阴极镍丝的环氧板。

图4为未使用转动阴极和根据本发明实施例一使用转动阴极所制备的块体镍的对比图。

图5为本发明实施例一制备的1mm镍棒拉伸样的应力应变曲线。

图6为本发明实施例二制备的直径为2mm纳米晶样品显微组织的sem图。

图7为本发明实施例三所制得的大块镍图片。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

本发明各优选实施例提供的制备块体纳米晶镍电沉积方法是在制备块体纳米晶镍电沉积装置实现，参见图1～图7，具体包括如下步骤：通过配置电解液，将电解液配置好之后倒入上述的电解池中，再用盖子盖好。将配置好的电解液放在搅拌器上面，打开搅拌器。通过安装阴极，用电动机的钻夹头夹紧阴极基体，使得阴极能进行高速旋转。通过放置阴极，缓缓降低电机，将绝缘板对准电解池盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至导电丝完全浸入电解液。通过连接电路，用导线将电源正极和阳极镍相连，将阳极镍从电解池盖子的长方形孔中慢慢浸入电解液中，并保持浸入长度与阴极相。并用另一根导线连接电源负极和电动机支架，即形成电源正极、阳极镍、电解液、导电丝、电动机和电源负极这样的回路。通过打开搅拌器，转速调至10rpm以上，匀速搅拌溶液，在电沉积过程中用于消除溶液中的浓度差；通过打开电动机，将转速缓慢调到500rpm以上，在电动机作用下，电动机、不锈钢棒、绝缘板和导电丝做同心转动。在电沉积过程中，阴极表面会产生大量气泡，高速转动导电丝能快速甩掉产生的气泡，减少电沉积镍内部的气孔缺陷。通过打开电源，按照预计的电流密度来计算通过电路中的电流，并设置电沉积的时间。镀镍的电流密度不超过0.1ma/mm^-2，电沉积的时间取决于电沉积镍的尺寸。经过设定时间后，即可得到指定厚度的镍棒。

实施例一：

在本实施例中，参见图1～图3，一种制备块体纳米晶镍的电沉积装置，主要包括电沉积电源1、电沉积槽9、阳极6和阴极5，将电解液注入电沉积槽9中形成电解池，将阳极6和阴极5浸入电解池中，将阳极6、阴极5分别通过导线2与电沉积电源1的正极和负极对应电连接，在电解池中由阳极6和阴极5构成回路；阴极5作为电沉积基体，在电场的作用下，使电解池中的金属离子沉积到阴极5的表面，阳极6为金属镍制成的电沉积阳极；设置搅拌器8，并利用搅拌器8对电解池中的电解液进行搅拌，使电解液中的金属阳离子的浓度均匀；通过固定装置4将电动机3的转动输出轴与阴极5固定连接，组成除气装置，利用电动机3驱动阴极5进行旋转，从而甩掉在阴极5表面产生的气泡；电沉积槽9通过电解池盖子7进行密封，使电解液与外界隔离。

在本实施例中，参见图1～图3，电解池盖子7采用绝缘材料聚四氟乙烯制成，阳极6和阴极5分别从电解池盖子7的安装孔穿过。搅拌器8为磁力搅拌装置，在电沉积槽9下方设置磁力驱动装置，将磁力搅拌子设置于电解池中。电动机3的转动输出轴与电沉积电源1的负极电连接，形成电沉积电源1的正极、阳极6、电解液、阴极5、电动机3的转动输出轴和电沉积电源1负极依次导电连接的回路。

在本实施例中，参见图1～图3，阴极5为镍金属板、镍棒、不锈钢棒或者镍金属丝，固定装置4为夹头装置，利用钻夹头装置将阴极5与电动机3的转动输出轴固定连接；阴极5采用直径为0.02mm的镍丝，用环氧板固定镍丝，并进行拉直，剪出长度100mm的镍丝，将尼龙螺丝固定在环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧，环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来，采用不锈钢棒，将环氧板上端凸出来部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，使镍丝和不锈钢棒之间保持电流通路，接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧，从而将电动机、不锈钢棒和阴极镍丝连接在一起，形成在高速下运转也不会发生分离的一体结构形式的阴极基体。

在本实施例中，参见图1～图3，电动机3的固定部分固定安装在支架上，电动机3的转动输出轴与支架形成导电连接电路，用导线2连接电沉积电源1的负极和电动机3的支架，导线2的端部夹头夹在支架上实现导电，使电流通过电动机3的转动输出轴被传输到阴极5，然后依次通过电解液、阳极6，最后通过另一根导线2连接到电沉积电源1的正极，形成电流回路。

在本实施例中，参见图1～图5，采用本实施例制备块体纳米晶镍的电沉积装置，制备直径为1mm的镍棒，其方法包括如下步骤：

1)准备一个直流电源，用于提供恒定电流；

2)配置电解液，配制500ml电解液，niso4﹒6h20、nlcl2﹒6h2o和硼酸的浓度分别为：0.43m，0.1m，0.24m；溶液配置好之后倒入500ml的烧杯中，并放入一个磁力搅拌子，接着用聚四氟乙烯的烧杯盖盖好；将烧杯放在磁力搅拌器上面，打开磁力搅拌器，使磁力搅拌子匀速转动；

3)用如附图3中的环氧板固定直径为0.02mm镍丝，并拉直：先剪出长度为100mm的镍丝；将尼龙螺丝固定在环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧；环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来；

4)安装不锈钢棒：将环氧板上端凸出来部分卡进如附图2中的不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，这样就能使镍丝和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧，就可以将电动机、不锈钢棒和阴极镍丝连接在一起，尽管在高速下运转也不会发生分离；

5)放置阴极：通过调节旋钮，缓缓降低电机的高度，而环氧板也随之降低；将环氧板对准烧杯盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至镍丝完全浸入镀液，拧紧旋钮，固定电机；其中，阴极镍丝浸入电解液中长度为70mm，直径为0.02mm，阴极和阳极平行放置，距离为30mm；

6)连接电路：用导线将电源正极和阳极纯镍板相连，将纯镍板从烧杯盖的长方形孔中慢慢浸入镀液中，并保持浸入长度与镍丝相等；纯镍板长、宽以及厚度分别为100mm×20mm×3mm，浸入镀液长度为70mm；用另一根导线连接电源负极和电动机，将鳄鱼夹头夹在电动机支架上，形成电源正极、阳极纯镍板、电解液、镍丝、电动机和电源负极这样的回路；

7)打开磁力搅拌器，转速调至10rpm，使得磁力搅拌子匀速搅拌溶液；打开电动机，将转速缓慢调到3000rpm，确认电动机、不锈钢棒、环氧板和镍丝做同心转动；在电沉积过程中，阴极表面会产生大量气泡，高速转动镍丝能快速甩掉产生的气泡，减少电沉积镍内部的缺陷，比如气孔和杂质；

8)打开电源，将电流设定为0.01a；根据公式s＝12.294*ait/a，其中s为镀层厚度，a为阴极利用率，一般取值为95.5％，i/a为电流密度，其中i为电流，a为电镀面积，t为电沉积时间；因此，镀层的厚度取决于电流密度和电沉积的时间，可以根据所需要的厚度来来计算具体的电沉积时间和电流密度；但是由于在电沉积过程中，随着阴极与电解液接触面积增大，电流密度发生很大变化；因此，在实际电沉积过程中，得到直径为1mm，长70mm的镍棒需要57h，所以将工作时间设定为57h；

9)57h后，将电动机升高，从钻夹头上取下不锈钢棒后用水冲洗镍棒，再用吹风机吹干。从绝缘板上取下镍棒，即可得到一根直径为1mm的电沉积镍棒。

实验测试分析：

对本实施例制备的电沉积镍棒进行力学测试和微观观察，本实施例保持阴极高速旋转，大大减少沉积镍的气孔缺陷；电沉积过程中，如果阴极没有旋转，所制备的块体镍如图4(a)所示，块体镍上面有很多的宏观和微观的气孔缺陷；而本实施例阴极旋转所得到的块体镍如图4(b)所示，从微观和宏观上都没有可见的气孔缺陷。所制得的镍棒尺寸较大且具有优异的力学性能如附图5，这使得其具有很强的应用价值。并且首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达1mm，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此具有极大的研究与应用价值。本实施例制备方法简单、成本很低。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图6，采用本实施例制备块体纳米晶镍的电沉积装置，制备直径为2mm的镍棒，其方法包括如下步骤：

1)准备一个直流电源，用于提供恒定电流；

2)配置电解液；配制500ml电解液，电解液中niso4﹒6h20、nlcl2﹒6h2o和硼酸的浓度分别为：0.43m，0.1m，0.24m；溶液配置好之后倒入500ml的烧杯中，并放入一个磁力搅拌子，接着用聚四氟乙烯的烧杯盖盖好；将烧杯放在磁力搅拌器上面，打开磁力搅拌器，使磁力搅拌子匀速转动；

3)用环氧板固定直径为0.02mm镍丝，并拉直：先剪出长度为100mm的镍丝；将尼龙螺丝固定在如图3所示的环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧；环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来；

4)安装不锈钢棒：将环氧板上端凸出来部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，这样，就能使镍丝和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧；

5)放置阴极：通过调节旋钮，缓缓降低电机的高度，而环氧板也随之降低；将环氧板对准烧杯盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至镍丝完全浸入镀液，拧紧旋钮，固定电机；

6)连接电路：用导线将电源正极和阳极纯镍板相连，将纯镍板从烧杯盖的长方形孔中慢慢浸入镀液中，并保持浸入长度与镍丝相等；用另一根导线连接电源负极和电动机，将鳄鱼夹头夹在电动机支架上，形成回路；

7)打开磁力搅拌器，转速调至500rpm，使得磁力搅拌子匀速搅拌溶液；打开电动机，将转速缓慢调到3000rpm；

8)打开电源，将电流设定为0.01a，工作时间设定为140.5h；

9)140.5h之后，将电动机升高，从钻夹头上取下不锈钢棒后用水冲洗镍棒，再用吹风机吹干；从绝缘板上取下镍棒，即可得到一根直径为2mm的电沉积镍棒。

实验测试分析：

对本实施例制备的电沉积镍棒进行微观观察，本实施例首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达2mm，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此具有极大的研究与应用价值。本发明所制备纳米晶镍的微观组织如附图6所示。本实施例制备方法简单、成本很低。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图7，采用本实施例制备块体纳米晶镍的电沉积装置，制备直径为1mm的纳米晶镍的棒状拉伸样，其方法包括如下步骤：

1)配置电解液：配制500ml电解液，niso4﹒6h20、nicl2﹒6h2o和硼酸的浓度分别为：0.43m，0.1m，0.24m；溶液配置好之后倒入500ml的烧杯中，并放入一个磁力搅拌子，接着用聚四氟乙烯的烧杯盖盖好；将烧杯放在磁力搅拌器上面，打开磁力搅拌器，使磁力搅拌子匀速转动；

2)用如图3中的环氧板固定直径为0.02mm镍丝，并拉直：先剪出长度为100mm的镍丝；将尼龙螺丝固定在环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧；环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来；

3)安装不锈钢棒：将环氧板上端凸出来部分卡进如附图2中的不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，这样就能使镍丝和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧，就可以将电动机、不锈钢棒和阴极镍丝连接在一起，尽管在高速下运转也不会发生分离；

4)放置阴极：通过调节旋钮，缓缓降低电机的高度，而环氧板也随之降低；将环氧板对准烧杯盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至镍丝完全浸入镀液，拧紧旋钮，固定电机；其中，阴极镍丝浸入电解液中长度为70mm，直径为0.02mm，阴极和阳极平行放置，距离为30mm；

5)连接电路：用导线将电源正极和阳极纯镍板相连，将纯镍板从烧杯盖的长方形孔中慢慢浸入镀液中，并保持浸入长度与镍丝相等；纯镍板长、宽以及厚度分别为100mm×20mm×3mm，浸入镀液长度为70mm；用另一根导线连接电源负极和电动机，将鳄鱼夹头夹在电动机支架上，形成电源正极、阳极纯镍板、电解液、镍丝、电动机和电源负极这样的回路；

6)打开磁力搅拌器，转速调至10rpm，使得磁力搅拌子匀速搅拌溶液；打开电动机，将转速缓慢调到3000rpm，确认电动机、不锈钢棒、环氧板和镍丝做同心转动；在电沉积过程中，阴极表面会产生大量气泡，高速转动镍丝能快速甩掉产生的气泡，减少电沉积镍内部的缺陷，比如气孔和杂质；

7)将工作时间调至57h，电流调至0.01a；开启电源；57h后停止电沉积，即可得到一根均匀、表面光滑无缺陷的1mm镍棒；

8)电沉积拉伸样品夹持端部分的制备；从钻夹头上取下不锈钢棒，从镍棒的底部向上量取33mm，用3×1mm的金相胶带进行标记；

9)重新用钻夹头固定不锈钢棒，然后缓慢降低电动机高度，将镍棒浸入溶液，直至液面刚刚到达步骤8)中金相胶带标记的高度，再稍微轻轻抬高电动机约1～2mm，此时镀液会在液面张力的作用下，贴着镍棒部分出现毛细现象；用细长的尖头镊慢慢靠近镍棒，夹着胶带的一角，轻轻取下，注意不能弯折镍棒；最后固定电动机高度；

10)打开电动机，转速调至3000rpm；然后设定电流为0.01a，工作时间为48h；48h后，关闭电源和电动机，取出样品后，拉伸样的一端加持端电沉积完成；

11)重复上述步骤8)、9)和10)，即可完成另一端夹持端的电沉积工作；由此可获得一根均匀、表面光滑无缺陷的拉伸样。

实验测试分析：

本实施例制得的镍棒尺寸较大且具有优异的力学性能，这使得其具有很强的应用价值。并且首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达1mm，如附图7所示，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此具有极大的研究与应用价值。本实施例制备方法简单、成本很低。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，采用实施例制备块体纳米晶镍的电沉积装置，制备直径为2mm的纳米晶棒状拉伸样，其方法包括如下步骤：

1)配置电解液：配制500ml电解液，niso4﹒6h20、nicl2﹒6h2o和硼酸的浓度分别为：0.43m，0.1m，0.24m；溶液配置好之后倒入500ml的烧杯中，并放入一个磁力搅拌子，接着用聚四氟乙烯的烧杯盖盖好；将烧杯放在磁力搅拌器上面，打开磁力搅拌器，使磁力搅拌子匀速转动；

2)用如图3中的环氧板固定直径为0.02mm镍丝，并拉直：先剪出长度为100mm的镍丝；将尼龙螺丝固定在环氧板上下两端的圆孔处，用上下两个同侧的螺母压紧镍丝，使得镍丝竖直绷紧；环氧板下端保持镍丝不外露，剩余长度的镍丝在上端留出来；

3)安装不锈钢棒：将环氧板上端凸出来部分卡进如附图2中的不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定环氧板，再将环氧板上端多余出来的镍丝绕在不锈钢棒上，这样就能使镍丝和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的夹头夹紧，就可以将电动机、不锈钢棒和阴极镍丝连接在一起，尽管在高速下运转也不会发生分离；

4)放置阴极：通过调节旋钮，缓缓降低电机的高度，而环氧板也随之降低；将环氧板对准烧杯盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至镍丝完全浸入镀液，拧紧旋钮，固定电机；其中，阴极镍丝浸入电解液中长度为70mm，直径为0.02mm，阴极和阳极平行放置，距离为30mm；

5)连接电路：用导线将电源正极和阳极纯镍板相连，将纯镍板从烧杯盖的长方形孔中慢慢浸入镀液中，并保持浸入长度与镍丝相等；纯镍板长、宽以及厚度分别为100mm×20mm×3mm，浸入镀液长度为70mm；用另一根导线连接电源负极和电动机，将鳄鱼夹头夹在电动机支架上，形成电源正极、阳极纯镍板、电解液、镍丝、电动机和电源负极这样的回路；

6)打开磁力搅拌器，转速调至10rpm，使得磁力搅拌子匀速搅拌溶液；打开电动机，将转速缓慢调到3000rpm，确认电动机、不锈钢棒、环氧板和镍丝做同心转动；在电沉积过程中，阴极表面会产生大量气泡，高速转动镍丝能快速甩掉产生的气泡，减少电沉积镍内部的缺陷，比如气孔和杂质；

7)将工作时间调至140.5h，电流调至0.01a；开启电源；140.5h后停止电沉积，即可得到一根均匀、表面光滑无缺陷的2mm镍棒；

8)电沉积拉伸样品夹持端部分的制备；从钻夹头上取下不锈钢棒，从镍棒的底部向上量取30mm，用3×1mm的金相胶带进行标记；

9)重新用钻夹头固定不锈钢棒，然后缓慢降低电动机高度，将镍棒浸入溶液，直至液面刚刚到达步骤8)中金相胶带标记的高度，再稍微轻轻抬高电动机约1～2mm，此时镀液会在液面张力的作用下，贴着镍棒部分出现毛细现象；用细长的尖头镊慢慢靠近镍棒，夹着胶带的一角，轻轻取下，注意不能弯折镍棒；最后固定电动机高度；

10)打开电动机，转速调至最高；然后设定电流为0.01a，工作时间为48h；48h后，关闭电源和电动机，取出样品后，拉伸样的一端加持端电沉积完成；

11)重复上述步骤8)、9)和10)，即可完成另一端夹持端的电沉积工作；由此可获得一根均匀、表面光滑无缺陷的拉伸样。

实验测试分析：

本实施例制得的镍棒尺寸较大且具有优异的力学性能，这使得其具有很强的应用价值。并且首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达2mm，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此具有极大的研究与应用价值。本实施例制备方法简单、成本很低。

实施例五：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，制备块体纳米晶镍的电沉积装置的阴极5采用厚度为2mm的镍金属板，将镍金属板上端部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定镍金属板，使镍金属板和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的钻夹头夹紧，从而将电动机、不锈钢棒和阴极板连接在一起，形成在高速下运转也不会发生分离的一体结构形式的阴极基体。在本实施例中，采用实施例制备块体纳米晶镍的电沉积装置，制备3mm厚的镍板，其方法包括如下步骤：

1)配置电解液：配制500ml电解液，niso4﹒6h20、nicl2﹒6h2o和硼酸的浓度分别为：0.43m，0.1m，0.24m；溶液配置好之后倒入500ml的烧杯中，并放入一个磁力搅拌子，接着用聚四氟乙烯的烧杯盖盖好；将烧杯放在磁力搅拌器上面，打开磁力搅拌器，使磁力搅拌子匀速转动；

2)准备阴极板，其长、宽以及厚度分别为80×8.5×2mm，材质为304不锈钢；将阴极板上端10mm部分卡进不锈钢棒的凹槽里，并用侧边的不锈钢螺丝拧紧固定阴极板，这样就能使阴极板和不锈钢棒之间保持通路；接着，将不锈钢棒用电机上的钻夹头夹紧，就可以将电动机、不锈钢棒和阴极板连接在一起，尽管在高速下运转也不会发生分离；

3)放置阴极：通过调节旋钮，缓缓降低电机的高度，而阴极板也随之降低；将阴极板对准烧杯盖子的圆孔，慢慢浸入电解液中，直至不锈钢棒下端到达液面；拧紧旋钮，固定电机；其中，阴极板浸入电解液中长度为70mm，阴极和阳极平行放置，距离为30mm；

4)连接电路：用导线将电源正极和阳极纯镍板相连，将纯镍板从烧杯盖的长方形孔中慢慢浸入镀液中，并保持浸入长度与阴极板相等；用另一根导线连接电源负极和电动机，将鳄鱼夹头夹在电动机支架上，形成电源正极、阳极纯镍板、电解液、阴极板、电动机和电源负极这样的回路；

5)打开磁力搅拌器，转速调至500rpm，使得磁力搅拌子匀速搅拌溶液；打开电动机，将转速缓慢调到3000rpm；

6)打开电源；根据文献中的最佳电沉积电流密度为0.18ma/mm²,设置电流为0.268a；开启电源；12天后停止电沉积，在阴极板的周围得到3mm厚的镍；

7)将阴极板两侧的镍用线切割切下，可以清楚地看到阴极板和电沉积镍的结合界面，由于其结合力较差，电沉积镍板和阴极板会自动分离，即可得到两块厚3mm、长70mm、宽5mm的电沉积镍板。

实验测试分析：

本实施例制得的镍棒尺寸较大且具有优异的力学性能，这使得其具有很强的应用价值。并且首次做出电沉积块体纳米晶镍材料，样品厚度可达3mm，目前为止，文献中所提及电沉积镍厚度只有微米级，而块体纳米晶镍可以避免因样品薄而出现的过早发生断裂等问题，因此具有极大的研究与应用价值。本实施例制备方法简单、成本很低。

综上实施例，本发明制备块体镍的装置，包括：电沉积电源、电动机和阴极、阳极镍、电解池和磁力搅拌器。电机转速高达500rpm～5000rpm，用于带动阴极转动，阴极固定在电动机的钻夹头上，见图1。一个电解池配有绝缘材料的盖子，盖子上有允许阴极和阳极通过的孔。磁力搅拌器，置于电解池下方。本发明提供的制备块体纳米晶镍的装置，还包括导线若干，将负极与电动机相连，电流通过不锈钢棒，传输到阴极，通过电解液后，传输到阳极镍，而阳极镍与电源正极也通过导线相连，由此电路被接通。本发明电动机钻夹头和支架之间可以导电。所用的导线可以是香蕉接头转鳄鱼夹头导线。用导线连接电源的负极和电动机的支架，导线的鳄鱼夹头只需要夹在支架的固定旋钮上，旋钮和支架是机械连接，可以导电，并且电流通过电动机可以被传输到钻夹头，然后依次通过不锈钢棒、阴极、电解液、阳极镍，最后通过导线连接到电源正极，形成闭合回路。本发明动机的转速高达500rpm～20000rpm，在电沉积过程中带动阴极高速旋转，甩去产生的氢气泡，大大减少了镍棒表面缺陷和内部气孔。本发明上述实施例涉及一种制备块体纳米晶镍的装置及方法。先用电极夹头固定好阴极。然后用导线分别连接电源的正极、阳极镍、电源的负极和电动机支架。接下来将阴极和阳极镍浸入事先配置好的电解液中。之后打开电动机，高速转动阴极。最后打开电源，经过预设时间后，即可得到指定尺寸的块体镍。发明是关于块体纳米晶镍的制备装置与技术，涉及块体纳米晶镍的形成过程、制备工艺、力学性能与显微结构。本发明的装置和方法能够简单、经济地制备块体镍棒，所制得的块体纳米晶镍几乎无气孔缺陷且机械性能好。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明制备块体纳米晶镍的方法及电沉积装置的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。