2023年水溶液沉积表面强化的研究进展.doc

水溶液沉积外表强化的研究 王俊鹏 〔河南科技大学 材料科学与工程学院，河南省 洛阳市 471003〕 摘 要：本文研究几种不同的水溶液沉积外表强化的方法，有比拟常用的电镀工艺和溶胶凝胶发和化学转化膜。电镀就是利用电解原理在某些金属外表上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的外表附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀,提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。而溶胶凝胶发主要用于制备纳米材料的纳米薄膜，因为利用溶胶凝胶发制备的粉体可以到达1-1000nm，因此它被广泛应用于纳米膜的制备过程中。化学转化膜是金属或者镀层金属表层原子与介质中的阴离子相互反响，在金属外表生成附着力良好的隔离层，这层化合物隔离层称为化学转化膜。 关键词：外表强化，电镀，溶胶凝胶，化学转化膜 0 引言 随着高新技术的飞速开展， 人们对提高材料的性能， 拓宽其功能， 延长仪器设备中零部件的使用寿命和提高经济性等提出了更高的要求。许多零部件的失效是由于材料外表不能胜任苛刻的服役条件所致， 例如耐磨、 腐蚀和外表氧化等。它们大多发生在零件的外表和近外表， 或者先从外表开始， 然后向内部扩散而导致零件失效， 以至最终影响机械产品的性能、 寿命。提高材料的外表性能对延长机械零件的使用寿命和发挥材料的潜力起着很重要的作用， 由此应运而生的外表强化技术得到了快速开展， 受到了广泛重视， 成为当前材料科学研究中的重点领域之一。下面介绍几种常见的外表强化工艺。 1电镀工艺 目前电镀工艺广泛应用在国民生产的各个领域,只有认真操作才能有效节约能源、保护环境。在以下简单介绍一下有关电镀工艺的一些根本知识。电镀工艺的分类:酸性光亮铜电镀 电镀镍/金 电镀锡。工艺流程:浸酸→全板电镀铜→酸性除油→微蚀→浸酸→镀锡→浸酸→图形电镀铜→镀镍→浸柠檬酸→镀金。[1] 流程说明。 1.1浸酸。 ①作用与目的:除去板面氧化物,活化板面,一般浓度在5%～10%左右,主要是防止水分带入造成槽液硫酸含量不稳定。 ②使用C.P级硫酸,酸浸时间不宜太长,防止板面氧化;在使用一段时间后,酸液出现浑浊或铜含量太高时应及时更换,防止污染电镀铜缸和板件外表。[2] 1.2全板电镀铜。 ①作用与目的:保护刚刚沉积的薄薄的化学铜,防止被酸浸蚀掉,通过电镀将其加后到一定程度。 ②全板电镀铜相关工艺参数:槽液主要成分有硫酸铜和硫酸,采用高酸低铜配方,保证电镀时板面厚度分布的均匀性和对深孔的深镀能力;硫酸含量多在180到240克/升;硫酸铜含量一般在75克/升左右,槽液中可有微量的氯离子,作为辅助光泽剂和铜光剂共同发挥光泽效果;铜光剂的添加量在3～5ml/L,铜光剂的添加一般按照千安小时的方法或者根据实际生产板效果来补充;全板电镀的电流一般按2安/平方分米乘以板上可电镀面积计算;铜缸温度一般控制在22～32度。 ③工艺维护:每日根据千安小时来及时补充铜光剂;检查过滤泵是否工作正常;每隔2-3小时应用干净的湿抹布将阴极导电杆擦洗干净;每周要定期分析并通过霍尔槽试验来调整光剂含量及时补充;每周要清洗阳极导电杆,槽体两端电接头,及时补充钛篮中的阳极铜球;每月应检查阳极的钛篮袋有无破损并及时更换;并检查阳极钛篮底部是否堆积有阳极泥;每半年左右具体根据槽液污染状况决定是否需要大处理;每两周要更换滤泵的滤芯。 ④阳极铜球内含有少量的磷,目的是降低阳极溶解效率,减少铜粉产生。 ⑤补充药品时,如添加量较大量硫酸铜或硫酸时,应分几次缓慢补加;否那么会造成槽液温度过高,光剂分解加快,污染槽液。 1.3酸性除油。 ①目的与作用:除去线路铜面上的氧化物,保证一次铜与图形电镀铜或镍之间的结合力。 ②使用酸性除油剂,生产时只需控制除油剂浓度和时间即可。 1.4微蚀。 ①目的与作用:清洁粗化线路铜面,确保图形电镀铜与一次铜之间的结合力。 ②微蚀剂采用过硫酸钠。 1.5浸酸。 ①作用与目的:除去板面氧化物,防止水分带入造成槽液硫酸含量不稳定。 ②使用C.P级硫酸酸浸,时间不宜太长,防止氧化。 1.6图形电镀铜,又叫二次铜。目的与作用:为满足各线路额定的电流负载,各线路和孔铜需要到达一定的厚度,线路镀铜就是将孔铜和线路铜加厚到一定的厚度。 1.7电镀锡。 ①目的与作用:图形电镀纯锡目的是用纯锡单纯作为金属抗蚀层,保护线路蚀刻。 ②槽液主要由硫酸亚锡,硫酸和添加剂组成;硫酸亚锡含量控制在35克/升左右,硫酸控制在10%左右;镀锡添加剂的添加一般按照千安小时的方法来补充或者根据实际生产板效果;电镀锡的电流计算一般按1.5安/平方分米乘以板上可电镀面积;锡缸温度维持在室温状态,一般控制在22～30度,因此在夏季因温度太高可加装冷却温控系统。 ③工艺维护:每日根据千安小时来及时补充镀锡添加剂剂;检查过滤泵是否工作正常;每个2～3小时应用干净的湿抹布将阴极导电杆擦洗干净;每周要定期分析并通过霍尔槽试验来调整镀锡添加剂含量;每周要清洗阳极导电杆,槽体两端电接头;每月检查阳极袋有无破损并及时更换;并检查阳极袋底部阳极泥;每两周要更换过滤泵的滤芯。 2 溶胶－凝胶法     溶胶－凝胶〔Sol-Gel〕技术是指金属有机或无机化合物经过溶胶－凝胶化和热处理形成氧化物或其他固体化合物的方法。其过程：用液体化学试剂〔或粉状试剂溶于溶剂〕或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物为反响物，在液相中均匀混合并进行反响，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放置一定时间后转变为凝胶，经脱水处理，在溶胶或凝胶状态下成型为制品，再在略低于传统的温度下烧结。[4] 2.1  溶胶凝胶法根本原理     溶胶－凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后参加其他组分，在一定温度下反响形成凝胶，最后经枯燥处理制成产品。[5] 2.2  水解反响和聚合反响     金属盐在水中的性质受金属离子半径，电负性，配位数等因素影响，如Si、Al盐，它们溶解于纯水中常电离出Mn+，并溶剂化。水解反响平衡关系随溶液的酸度，相应的电荷转移量等条件的不同而不同。有时电离析出的Mn+又可以形成氢氧桥键合。     水解反响是可逆反响，如果在反响时排除掉水和醇的共沸物，那么可以阻止逆反响进行，如果溶剂的烷基不同于醇盐的烷剂，那么会产生转移酯化反响，这些反响对合成多组分氧化物是非常重要的。水解反响：M(OR)n ＋ H2O → M (OH)x(OR)n-x ＋ xROH     硅、磷、硼以及许多金属元素，如铝、钛、铁等的醇盐或无机盐在水解的同时均会发生聚合反响，如失水、失醇、缩聚、醇氧化、氧化、氢氧桥键合等都属于聚合反响，性质上都属于取代反响或加成反响。主要反响：－M－OH ＋ HO－M－ → －M－O－M－+H2O ；－M－OR + HO－M－ → －M－O－M－+ROH 等。Okkerse等提出硅酸在碱性条件聚合成六配位过渡态，Swain等那么提出形成稳定的五配位的过渡态，由于硅酸盐的水解和聚合作用几乎同时进行，它的总反响过程动力学将决定于3个反响速率常数，使得在最临近的尺度范围内，中心Si原子可以有15种不同的化学环境，R.A.Assink等曾描述了这15种配位方式的关系。可见聚合后的状态是很复杂的。 2.3 溶胶－凝胶法工艺过程     在Sol-Gel的全过程中，金属醇盐、溶剂、水及催化剂组成均相溶液，由水解缩聚而形成均相溶胶；进一步陈化成为湿凝胶；经过蒸发除去溶剂或蒸发分别得到气凝胶或干凝胶，后者经烧结得到致密的陶瓷体。同时，均相溶胶可以在不同衬底上涂膜，经过焙烧等热处理得到均匀致密的薄膜；也可以拉丝，得到玻璃纤维；以及均相溶胶经不同方式处理得到粉体。 热 处 理 〔涂层、成纤、成型〕 金 属 醇 盐 有 机 溶 剂 水 催化剂〔胶溶剂〕 水解缩聚 溶 胶 陈 化 湿 凝 胶 干 凝 胶 成 品  2.4均相溶液和溶胶的制备 这一步是制取包含醇盐和水的均相溶液，以确保醇盐的水解反响在分子级水平上进行。由于金属醇盐在水中的溶解度不大，一般用醇做溶剂，因为醇与醇盐溶液互溶，也跟水互溶，所以醇的参加量应适当，否那么可能落入三元不混溶区。因为醇是醇盐水解产物，对水解反响有抑制作用，为保证起始溶液均匀性，对配置的混合液必须施以搅拌。为防止反响过程中易挥发组分散失，造成组成变化，一般需加回流冷凝装置。     一般将制备溶胶的方法分为聚合法和颗粒法。对醇盐来说，这两种方法的区别在于加水量的多少。在溶胶－凝胶法中，最终产品的结构在溶液中以初步形成，后续工艺与溶胶的性质直接相关，因此溶胶的质量是十分重要的。醇盐的水解和缩聚反响使均相溶液转变为溶胶，显然控制醇盐水解缩聚的条件是制备高质量溶胶的前提。影响溶胶质量的因素主要有加水量、催化剂种类、溶液pH值、水解温度，醇盐品种以及在溶液中的浓度和溶剂效应等。 2.5旋涂 基片垂直于自身外表的轴旋转，同时把溶胶涂覆材料涂覆在基片上。然后在90℃的烘箱里烘烤，然后再进行旋涂，重复三到五次。[6] 2.6热处理 接着把基片放入枯燥箱内进行枯燥。枯燥24h后，进行热处理热处理的目的是消除干凝胶中的气孔，使制品的相组成和显微结构满足产品性能的要求。在加热过程中，干凝胶先在低温下脱去吸附在外表的水和醇，260－300 ℃发生 －OR基氧化，300 ℃以上那么脱去结构中的－OH基。由于热处理伴随有较大的体积收缩，各种气体〔CO2、H2O、ROH〕的释放，加上－OR基在非充分氧化时还可能碳化成碳质颗粒，所以升温速率不宜过快。[7]  3化学转化膜 化学转化膜又称金属转化膜。它是金属〔包括镀层金属〕表层原子与介质中的阴离子相互反响，在金属外表生成附着力良好的隔离层，这层化合物隔离层称为化学转化膜。转化膜的形成既可以是金属——介质之间的纯化学反响，也可以是电化学反响。 3.1化学转化膜的分类： 按生产习惯分为 阳极氧化膜、化学氧化膜、磷化膜、钝化膜、着色膜。 　　按基体材料分为 铝材转化膜、锌材转化膜、钢材转化膜、铜材转化膜、镁材转化膜。 按用途分为防护性转化膜、装饰性转化膜、减摩或耐磨转化膜、绝缘性转化膜、涂装底层转化膜、塑性加工用转化膜。[8] 3.2工艺流程 上挂→脱脂→水洗→酸洗→水洗→化学转化膜→水洗→填充 →热水洗→热风枯燥→下挂 →检验。 4结束语 随着现代科技的不断开展，外表强化技术以其高效、实用、环保等优势在机械和模具制造等各领域中显示出强大的开展潜力。根据材料的成分、组织和性能等，正确合理运用各种外表强化技术对于节约能源 延长材料使用寿命和提高经济效益具有重要的意义。 参考文献 [1] 赵立新等.镁合金无铬化学转化膜的研究现状与开展趋势 [J]电镀与涂饰,2023,28(1):33 [2] 于元春,胡会利,李宁,刘远航.镁合金外表电镀工艺的应用研究[J].电镀与涂饰，2023，〔07〕. [3] 陈湘勤, 周立新, 陈湘惠. 电镀锡—铈合金引线线材的生产及提高线材可焊性的探讨[J]. 电子工艺技术, 1986,(Z1) [4] 周永江,程海峰. 溶胶-凝胶法在吸收剂外表制备SiO_2涂层[J]. 新技术新工艺, 2023,(10) . [5] 王焆,李晨,徐博. 溶胶-凝胶法的根本原理、开展及应用现状[J]. 化学工业与工程, 2023,(03) . [6] L. E. Greene, M. Law, D. H. Tan, M. Montano, J. Goldberger, G. Somorjai, and P. D. Yang, Nano. Lett. 5, 1231(2023). [7] 孟前进,李巧玲. 溶胶-凝胶法合TiO2粉体及其表征和光催化的研究[J]. 中国粉体工业, 2023,(03) . [8]尹桂勤. 钢铁涂装前处理化学转化膜工艺开展概况[J]. 价值工程, 2023