非金属材料电镀技术的应用

刘仁志

(武汉风帆表面工程有限公司，湖北武汉 430015)

非金属材料电镀技术的应用

刘仁志

(武汉风帆表面工程有限公司，湖北武汉 430015)

随着社会对技术创新需求的增长，以前主要用于装饰性制品的非金属电镀技术，现在已经成为重要的功能性镀层电镀技术，从而在现代制造中有了新的应用。特别是在现代电子产品制造中，以非金属材料代替有色金属材料将成为流行趋势，而非金属材料的电镀，也就成为支持这种材料变化的重要的电镀技术。介绍了非金属电镀在电子产品等结构材料中的应用情况。

非金属;电子制造;电子电镀

引 言

最先成功应用于工业化生产的非金属电镀技术是ABS塑料电镀技术。这一技术早期的应用主要是装饰性电镀产品。塑料电镀由于工艺过程过于复杂而又欠稳定，使其应用受到一定限制。随着电镀技术的进步，解决了从粗化、活化到化学镀等各关键工序的溶液稳定性并使生产效率大大提高以后，塑料电镀技术的应用有了很大增长。特别是其他非金属材料在产品结构中应用的增加，从家用电器产品到汽车装饰配件、从建筑装饰到卫浴产品;从装饰性用途到功能和工程性用途等等，使非金属电镀技术获得了较为广泛的应用［1］。

随着资源节约和环境友好理念的普及，非金属材料在现代制造中的应用有所增长，从而使非金属电镀技术重新又受到重视。特别是在工程和功能性方面的应用，已经成为不少塑料树脂类产品的重要表面处理手段。例如印制线路板的电镀就是典型的非金属电镀技术功能性应用的实例。同时，在非金属表面导电、电磁屏蔽、抗涡流、导磁及导波等方面应用的例子也不少。更多的产品开发者在考虑利用非金属电镀技术来创新产品和提升产品的性能。本文将以电子产品结构材料变化情况为例，对非金属电镀技术的应用情况加以介绍，以供电镀界同仁参考。

1 非金属电镀在通讯电子产品中的应用

1.1 在波导产品中的应用

波导是微波通信系列产品中重要的结构件之一。如果将电阻率作为一个重要参数来选取微波产品的制作材料，早期采用最多的是铜材电镀银层。但是铜材有质量比较大的缺点，于是又发展以铝材做腔体等的技术。铝的导电性能比起铜来要差许多，如果根据理想状态来分析，用铝应该是不很恰当的，但是实际上现在微波器件的结构材料大量采用了铝合金。这是因为微波的传导特性是在材料的表面及其表面附近的空间(所谓趋肤效应)［2］。特别是进入超高频波时代，这种趋势更为明显，从而可以采用其它质量轻而又成型容易的材料来制造波导，关键是要在其表面获得有良好导波性的银或铜镀层。在非金属电镀技术开发以后，这就使采用树脂复合材料制作波导成为可能。

美国很早就有关于采用复合材料制作高频器件腔体的报道［3］，这是为了进一步减轻导弹电子系统的质量而采取的重要工艺改进措施。20世纪60年代，国外的高频电子产品已经采用了铸铝件腔体，而我国当时同类产品仍在采用铜制品，至今铸铝腔体还没有进入全面应用阶段，更不要说采用塑料制品，明显地滞后于国际先进水平。

采用塑料制件替代铝制件的另一个优点是成本的降低和金属资源的节省。根据美国当时提供的成本对比情况，以高频电子产品腔体为例，其成本降低率可达30%左右，其对比结果见表1［3］。表1中所列数据为当时工艺水平下的价值，如果以今天有色金属的价格和塑料加工水平提高的情况来看，这一比率还可以提高。

表1 铝基制件和塑料制件成本对比

这项研究的结果表明，采用树脂复合材料制作波导腔体经电镀后，性能可以满足设计要求，其实验情况见表 2［3］。

从以上分析可知，采用耐温和高强度树脂制作波导产品是完全可行的。树脂玻璃纤维复合材料在我国通称为玻璃钢。这种材料上的电镀工艺基本上是成熟的，其通用的电镀工艺流程如下:

表面整理→清洗→化学粗化→清洗→清洗→敏化→清洗→蒸馏水洗→银盐活化→清洗→清洗→化学镀铜→清洗→电镀加厚→清洗→进行其它精饰或电镀。

1.2 在陶瓷介质滤波器中的应用

随着高频段无线电波资源的开发应用以及移动通信产业和技术的迅猛发展，微波滤波器日益受到人们重视。为了适应现代电子产品越来越小的特征，以陶瓷为介质的轻薄型滤波器具有重要应用前景。因为微波介质陶瓷材料具有损耗低、频率温度系数小及介电常数高等特点，并且随着微波介质陶瓷材料的不断发展，性能不断提高，由微波介质陶瓷材料制备成的滤波器具有性能可靠、插入损耗低、体积小及稳定性好等优点，使得微波陶瓷介质滤波器在通讯产业发挥着越来越大的作用。根据微波陶瓷介质滤波器的设计原理，微波器件的成型工艺是器件制造过程中非常重要的一个环节，现在已经可以利用成型工艺进行凝胶注模成型(Gelcasting)。而关键则是要对制备的样品按滤波器设计要求对外表面和孔径表面进行镀银处理。

表2 树脂波导产品试验情况(参考美国军标MIL-STD-202A)

而陶瓷电镀与其他非金属材料的电镀一样，重要的是粗化工序。这是获得良好结合力镀层的关键。针对陶瓷的主要成分是二氧化硅的情况，粗化液主要成分是氢氟酸。但是粗化处理前仍然必须进行必要的除油等处理。流程如下:

化学除油→清洗→酸洗→清洗→粗化→清洗→表面金属化流程。

化学除油采用碱性除油。可以采用氢氧化钠、碳酸钠或磷酸钠等任何一种或混合物以50～100g/L的质量浓度煮沸处理。

酸洗是为了中和碱洗中残余的碱液，也是为粗化做准备。常用重铬酸盐与硫酸的混合液进行，组成如下:V［10%重铬酸钾(钠)］∶V(硫酸)=1∶3。

配制时要将硫酸非常慢地滴加到重铬酸钾(钠)的水溶液中，并充分搅拌，使温度不要上升太快，最好外加水浴降温，以策安全。

也可以在1L的硫酸中加入重铬酸钾(钠)30g，比较安全。从环保的角度，现在可以不用重铬酸盐，完全采用V(H2O)∶V(H2SO4)=1∶1也是可以的。

酸洗操作均在常温下进行，浸入时间以表面可以完全亲水为标准。对于表面比较干净的制品，可以只用10%的硫酸中和。

酸洗完成后，将制品清洗干净就可以进行粗化处理。粗化是为了使表面出现有利于增强金属镀层与基体结合力的微观粗糙，由于陶瓷的主要成分是二氧化硅，对其进行粗化的有效方法是使用氢氟酸。有以下反应发生:

SiF4是水溶性盐，这样仅用氢氟酸就可以获得陶瓷表面粗化的效果。

粗化液的组成为:200mL/L氢氟酸(55%)，实际上氢氟酸的浓度还可以调整，时间不宜过长，以防出现过腐蚀现象。

由于氢氟酸对环境有污染，所以现在有改良的粗化法，就是在硫酸溶液中加入氟化物，取其同离子效应来进行粗化。相对氢氟酸对环境的危害要小一些。

陶瓷表面进行金属化处理的方法和塑料表面的金属化方法大同小异，完成粗化以后的陶瓷即可以进入以下流程:

敏化→清洗→蒸馏水洗→活化→清洗→化学镀镍或铜→清洗→电镀加厚。

实践证明，对陶瓷进行金属化处理，采用胶体钯活化和化学镀镍比较好，其流程为:

胶体钯活化→回收→清洗→加速→清洗→化学镀镍→电镀加厚。

由于陶瓷的粗化效果不同于塑料，其粘附敏化剂和活化剂的能力要低于塑料。而胶体钯具有较好的粘附性能，因此，采用胶体钯活化，效果会好些。同时，对于陶瓷来说，有比塑料高得多的耐高温性能，采用钯活化，可以采用高温型化学镀镍，这对提高效率和质量都是有利的。

推荐的胶体钯活化工艺的配方和操作条件如下:

0.5～1g/L 氯化钯、10～20g/L 氯化亚锡、100～200mL/L 盐酸、θ=20～40℃、t=3～5min。

2 非金属电镀在其他产品中的应用

2.1 导电纤维和布料

镀银纤维作为一种高性能功能纤维，其独特的抗菌除臭、防电磁波辐射、抗静电及调节体温等功能受人瞩目，现已应用于内衣、家纺、特种服装、医疗、体育及部队装备等领域。

还在20世纪，德国、以色列、美国就率先展开了在纤维上镀铜、镍、银等金属的研究，并开发出了相关产品。此后日本、俄罗斯、我国也相继开始了这方面的研发，已经有许多相关专利。目前，将镀银、镀铜、镀镍纤维在防辐射纺织品及服装上的应用已经较为普遍，也有将镀银纤维用于内衣、家纺及特种服装，从而在医疗、体育、部队装备等领域应用。早在1999年，含有镀银纤维的日用品就已经出现在日本东京的商店里，由于它具有保护人体健康的功能，颇受当地消费者的欢迎。据说用镀银纤维制作的裤子、内衣和袜子等有抗菌和除臭效能。此外，用镀银纤维制成的外衣能够几乎百分之百地消除对人体有害的电磁波，是微波通信操作和维护人员的良好工作服用料。

由于银具有优良的导电性能和杀菌性能，使得镀银纤维具有抗静电、防辐射及抗菌除臭的多种功能。获得镀银纤维的方法主要有化学镀、电镀及真空镀等技术和工艺。从环保的角度，真空蒸镀、真空离子镀和真空溅射等方法，被认为是在纺织材料表面实现金属化最为理想的方法［4］。

2.2 汽车中的应用

在汽车追求轻量化而又豪华美观发展过程中，塑料电镀起到了至关重要的作用。从车门拉手、汽车商标、标徽、车内饰、反光镜、表盘装饰、操作杆头、方向盘装饰及高级车轮壳罩等，都在大量采用塑料电镀制品。

现在，除了汽车装饰件，在汽车结构中采用复合树脂材料越来越多。从而利用非金属电镀技术的产品也会越来越多。这是因为塑料类材料的成本比金属材料要低得多，这对于让汽车成为普通家庭的代步工具有重要意义。表3是设塑料成本值为1时，与其他金属材料的比较。可以看出使用不同金属材料的成本为塑料的 2.5～13.6 倍。

表3 塑料与其它金属材料的成本比较

这种情况不仅在汽车业，在其他所有应用塑料替代金属材料的行业，都是普遍存在的。这就为塑料电镀的应用，提供了更为广阔的前景。

如前所述，塑料电镀是非金属电镀中最为成熟的技术。因此，采用塑料电镀的产品将有增无减。

3 结语

以塑料电镀为代表的非金属电镀技术，不仅在装饰性电镀，而且在电子电镀、汽车电镀等领域都是重要的电镀技术。非金属表面金属化对提高产品综合性能，降低产品质量和成本，支持新产品开发等方面都有明显优势。随着社会对产品创新需求的日益增长，非金属材料在产品结构中的应用会越来越多，从而使非金属电镀技术有着更为广泛的应用前景。

［1］ 刘仁志.非金属电镀与精饰［M］.北京:化学工业出版社，2006:5-14.

［2］ 刘仁志.电子电镀技术［M］.北京:化学工业出版社，2008:180.

［3］ 表面处理技术译丛编译组.贵金属和稀有金属电镀［M］.上海:上海科学技术编译馆，1965:62-73.

［4］ 刘爱平，赵书林.导电纤维的发展与应用［J］.广西纺织科技，2008，37(4):36-38.

Application of Technology for Electroplating on Nonmetallic Materials

LIU Ren-zhi
(Wuhan Fengfan Surface Engineering Co.，Ltd，Hubei Wuhan 430015，China)

With the increase in social demands for technical innovation，nonmetallic substrate plating technology，which used mainly for decorative products before，has become an important plating technology for obtaining functional coatings now and finds a new application in modern manufacturing industry.As the substitution of nonmetallic materials for nonferrous materials，in electronic products，manufacture will become a prevailing trend，nonmetallic substrate plating method just becomes an important technology for supporting this material change.In this paper，the application of nonmetallic substrate plating method in structure materials including electronic products was introduced.

nonmetal;electronics manufacturing;electronic plating

TQ153.3

A

1001-3849(2010)11-0027-04

2010-05-10

2010-08-09