动力电源作为新型能源受到了各国政府的高度重视,而动力电源外壳材料是动力电源的关键组成部分之一,其性能的好坏直接决定着动力电源性能的优劣。本课题组提出并长期研究的覆镍深冲钢带打破了国外对用于动力电源预镀钢壳的垄断局面。覆镍深冲钢带上镍薄膜的质量和性能直接关系着动力电源外壳的工艺性能和最终动力电源的使用性能,而含有镍纳米线的镍基复合薄膜是一种兼有较好加工性能和使用性能的新型薄膜材料。本文围绕用于覆镍深冲钢上镍基复合薄膜中的镍纳米线进行了研究。首先采用本课题组具有优势的电沉积工艺在AAO(anodicaluminum oxide)模板中制备出不同尺寸和结构的镍纳米线,然后从各个角度研究了镍纳米线的最重要和最根本的热稳定性能,并对含镍纳米线镍基复合薄膜的制备工艺进行了初步探索。具体的工作和结果概括为以下几个方面:　　第一,成功制备了不同尺寸和结构的镍纳米线,研究了制备工艺对AAO模板和Ni纳米线形貌和结构的影响,改进了制备工艺。　　(1)利用阳极氧化工艺制备出了AAO模板。分析了氧化电压、温度、电解液浓度、电解液种类、扩孔时间等工艺参数对AAO模板形貌的影响,得出了制备AAO模板的最佳工艺。　　(2)改进了AAO模板的制备工艺。即在二次氧化结束时采用阶梯降压的方式逐渐降低氧化电压,以此达到减薄阻挡层的目的。改进工艺后,AAO模板的操控性得到了很大的改善,制备Ni纳米线的效率得到了很大提高。　　(3)利用AAO模板,采用电沉积工艺成功制得了Ni纳米线。制得的Ni纳米线尺寸均匀,为面心立方的纳米晶结构。研究了制备工艺与Ni纳米线结构的关系。在一定范围内,随着沉积电流密度的增加,Ni纳米线内部的晶粒尺寸不断减小。通过长时间低温退火工艺,制备出了竹节状的近似单晶结构的Ni纳米线。　　第二,研究了Ni纳米线的熔化失稳温度及其影响因素。　　(1)Ni纳米线表面未被氧化时,其熔化失稳温度随Ni纳米线直径和所含晶粒尺寸的减小而下降。这是由于表面或界面原子的配位数不完整,原子的总键能较低,因此打断这些键使原子熔化需要的能量较低。而Ni纳米线直径或所含晶粒尺寸越小,表面或界面原子所占的比例就越大,从而导致整个纳米线的原子平均结合能越低,熔化失稳温度就越低。采用BOLS(Bond order length strength)理论分别计算出了Ni纳米线的直径和晶粒尺寸与熔化失稳温度的定量关系。　　(2)Ni纳米线表面被氧化时,Ni纳米线的熔化失稳温度随纳米线直径的减小而上升,氧化层的厚度对Ni纳米线的熔化失稳温度没有影响。当Ni纳米线被氧化层包裹后,表面的原子部分连接了键能更强的Ni-O键,导致表面原子结合能高于体内原子,而纳米线直径越小,表面Ni-O键所占比例越大,导致整个Ni纳米线中原子的平均结合能越高,从而使熔化失稳温度也越高。采用BOLS理论计算出了表面氧化后Ni纳米线直径与其熔化失稳温度的定量关系。　　(3)采用BOLS理论分析了表面氧化后Ni纳米线直径和晶粒尺寸对熔化失稳温度的综合影响,并计算出得出了相应的定量关系,并得出此时的熔化失稳温度总是低于块体Ni的熔点,晶粒尺寸对熔化失稳温度的影响更明显。　　第三,研究了表面被氧化后Ni纳米线的晶界失稳温度及其影响因素。　　(1)具有纳米晶结构的Ni纳米线的晶界失稳温度大约在500—570K之间。失稳时发生吸热反应,晶界失稳激活能与粗晶Ni的晶界扩散激活能相近,说明对应的微观变化是晶界上原子的自扩散。Ni纳米线发生晶界失稳不是瞬时间完成的,不仅与温度密切相关,而且受热的时间也很重要。　　(2)Ni纳米线的直径越小,晶界失稳温度越高。这是由于Ni纳米线的表层被氧化后,表面的部分原子连接了键能更强的Ni-O键,提高了表面原子的结合能,而Ni纳米线的直径越小,Ni-O键所占的比例就越大,使得整个Ni纳米线中原子的平均结合能越高,使之热失稳所需的能量就越高。采用BOLS理论计算出了表面被氧化前后Ni纳米线的直径与晶界失稳温度的定量关系。　　(3)Ni纳米线所含晶粒的尺寸越小,晶界失稳温度越低。这是因为晶界上原子配位数不完整,使得界面原子的结合能下降;而晶粒尺寸越小,晶界所占的比例越大,整个Ni纳米线中原子的平均结合能越低,使之失稳所需能量就越低。采用BOLS理论计算出了表面未被氧化时Ni纳米线所含晶粒尺寸与晶界失稳温度的定量关系。　　(4)分别通过实验和BOLS理论对比了直径和晶粒尺寸两个因素对Ni纳米线晶界失稳温度的影响,得出Ni纳米线所含晶粒的尺寸对晶界失稳温度的影响更明显,进一步说明了纳米晶结构Ni纳米线的晶界失稳是由晶界扩散机制控制的。采用BOLS理论计算出了表面被氧化后Ni纳米线的直径和晶粒尺寸同时为变量时与晶界失稳温度的定量关系。　　第四,研究了Ni纳米线的热失稳结构演化及其影响因素。　　(1)晶粒尺寸为25nm,直径为300nm的Ni纳米线在1173K温度下退火30min后,开始发生瑞利失稳;在1273K温度下退火30min后,整条纳米线断裂成一条球列,平均球间距为2237nm,远大于理论计算的1334nm。这是由于纳米晶结构的Ni纳米线中存在大量晶界以及其它一些缺陷,造成原子的不规则排列,使材料的局部密度较理想晶体偏低。在高温下长时间退火后,一些原子错排或缺陷消失,使得瑞利失稳后的球间距比理论值偏大。　　(2)影响瑞利失稳结构演化的主要因素为Ni纳米线的直径。直径越小的Ni纳米线越容易发生瑞利失稳,这是由于表面原子的扩散量正比于表面曲率梯度,半径越小,曲率梯度越大,原子扩散量越大,形貌失稳越容易。另外,根据BOLS理论知道,表面原子的热稳定性更差,更容易被热驱动产生失稳运动。退火时的氩气气压越高,瑞利失稳所需温度越高,热稳定性越好。这是由于在压力作用下,Ni纳米线中原子的键长变短,同时键能增大,原子间的结合能增强,因而热稳定性更好。　　(3)晶粒尺寸为25nm,直径为300nm的Ni纳米线在673K温度下退火30min后已经发生了晶界失稳;在873K温度下退火30min后,在Ni纳米线表面清楚地看到晶粒和晶界,晶粒没有长大,说明只发生了界面原子的局部扩散运动,这是由于Ni纳米线中晶粒呈大角晶界的等轴状排列的原因。在873K温度下退火90min后,晶粒获得足够能量,发生了异常长大。　　(4)影响晶界失稳结构演化的主要因素为Ni纳米线所含晶粒的尺寸,尺寸越小,越容易发生晶界失稳。这是由于晶粒越小,晶界的曲率半径越大,晶界原子的扩散量越大。另外根据BOLS理论知道,晶界上原子的热稳定性更差,更容易被热驱动发生失稳运动。　　第五,探索了含Ni纳米线Ni基复合薄膜的制备工艺和耐腐蚀性能。　　(1)研究了在不同温度的电解液中制备的含Ni纳米线Ni基复合薄膜的工艺和形貌,分析了温度对复合薄膜形貌结构的影响。得出在25mA/cm2电流密度时,采用323K镀液温度可以制备出纳米线相互交织缠绕的复合薄膜,并分析和讨论了这种缠绕结构的形成机理。　　(2)研究了不同温度下制备的含Ni纳米线Ni基复合薄膜的抗腐蚀性能,得出在25mA/cm2电流密度时,采用323K镀液温度制得的复合薄膜的抗腐蚀能力最好,这是由于其相互缠绕的特殊结构具有更小的晶粒尺寸和更多晶界的原因。