陶瓷表面化学镀Ni-P合金工艺的研究

李丽波, 李东平, 张书华, 赵春山, 李 佳, 杨照地, 李晓霞, 谢菁琛, 国绍文

（1.哈尔滨理工大学化学与环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;2.黑龙江工程学院机电控制及自动化系,黑龙江哈尔滨 150050）

陶瓷表面化学镀Ni-P合金工艺的研究

李丽波1, 李东平1, 张书华1, 赵春山1, 李 佳1, 杨照地1, 李晓霞1, 谢菁琛1, 国绍文2

（1.哈尔滨理工大学化学与环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150040;2.黑龙江工程学院机电控制及自动化系,黑龙江哈尔滨 150050）

陶瓷表面经化学镀镍处理后既可以保证陶瓷原有的机械物理性能,又可以使陶瓷具有导电、导热、耐蚀等性能。采用正交实验的方法,得出陶瓷表面化学镀镍的最佳工艺配方和条件。采用扫描电子显微镜观察镀层微观形貌,利用能谱仪分析其化学成分,通过热震实验测试镀层与陶瓷的结合力。结果表明:陶瓷表面镀层覆盖完整、均匀、致密,镀层与陶瓷结合良好,镀层中P的质量分数为13.46%,Ni的质量分数86.54%。

化学镀Ni-P合金;陶瓷;覆盖度;结合力

0 前言

近年来,陶瓷及其制品的应用越来越广泛,但由于陶瓷与金属之间的结合力较差,使其应用受到极大的限制[1]。若能在陶瓷表面镀上一层金属,则会大大改善其与金属之间的结合力及其他的一些物理性能（如导电性、导热性等）[2-5]。陶瓷表面金属化技术很多,有化学气相沉积（CVD）,物理气相沉积（PVD）,离子注入,激光表面改性,离子萃取等[6],但这些技术具有成本高,无法大批量生产等缺点。与上述方法相比,化学镀具有其独特的优势,它适用基体广、均镀和深镀能力好、生产方便,改变镀层成分及其质量分数可实现多种功能[7-14]。本文采用化学镀的方法在陶瓷表面沉积Ni-P合金,镀层与陶瓷表面结合良好,既可以保证陶瓷原有的机械物理性能,又可以使陶瓷具有导电、导热、耐蚀等性能。

1 实验

1.1 实验材料

基体采用普通陶瓷。

1.2 工艺流程

1.3 预处理工艺

陶瓷与镀层之间无法形成金属键合,只能形成机械结合[15],要具有良好的结合力就必须经过预处理。陶瓷是非导体,要在陶瓷表面上进行化学镀,必须有活性中心（金属晶核）,这是化学镀还原反应的催化剂。因此陶瓷表面的预处理是化学镀的关键步骤。

（1）除油

将陶瓷片置于丙酮中,除油10 min。

（2）粗化

粗化的实质是对陶瓷表面进行刻蚀,使表面形成无数凹槽、微孔以增大基体的表面积,确保化学镀所需要的“锁扣效应”,从而提高镀层与基体的结合强度。将陶瓷片放入VHF∶VH2O=1∶1的溶液中,室温下粗化5 min。

（3）活化

本实验采用无钯活化,活化液是一种镍盐溶液。在活化处理时,陶瓷表面能吸附足够的镍盐溶液,适当热处理后,镍盐在陶瓷表面及表面的微孔中被还原为活性中心。镍作为化学镀镍的初始沉积点,具有较高的活性,可很快催化生成均匀、完全的覆盖层。按比例称取NiSO4·6H2O,NaH2PO2分别置于两个烧杯中,用量筒量取一定量的 H2O分别倒入两烧杯中,微热溶解,再将两溶液混合,加入一定量的乙醇,配制成活化液。活化液各组分的最佳质量浓度由正交实验获得。将陶瓷片放入活化液中在室温下浸渍一段时间,取出,放入烘箱中进行活化热处理。

1.4 化学镀镍工艺

NaAc（缓冲剂）12 g/L,柠檬酸（配位剂）12 g/L,硼酸8 g/L;主盐为 NiSO4·6H2O,还原剂为NaH2PO2,根据正交实验结果调整主盐和还原剂的质量浓度,用氨水调节镀液的p H值。用水浴加热到施镀温度后,将活化后的陶瓷片放入镀液中,开始施镀,时间为30 min。

1.5 性能与表征

通过热震实验表征镀层与基体的结合力,将镀好的样片置于烘箱中,在250℃下保持30 min,取出后迅速放入冰水中,观察镀层是否有起皮、剥落的现象;若没有,再重复上述实验,直至脱落为止。若热震实验的循环次数超过5次,说明镀层与基体的结合力良好。

覆盖度为陶瓷表面金属层的面积与陶瓷总面积的比值:

式中:C为覆盖度,%;S金属层为金属层面积,cm2;S总为陶瓷总面积,cm2。

采用FEI Sirion型扫描电子显微镜对预处理后的陶瓷表面和镀层微观形貌进行测试,并用 EDAX能谱仪分析镀层的成分。

采用DT-9205型数字万用表测量陶瓷表面化学镀镍层的导电性能。

2 结果与讨论

2.1 正交实验

经初步实验,选出重要影响因素,采用L18（37）正交实验优化工艺配方及工艺参数。

2.2 微观形貌及成分分析

图1为经最佳活化工艺处理后所得陶瓷表面的SEM图。由图1可知:陶瓷表面均匀地覆盖了一层薄膜,表面的小裂纹是活化热处理形成的龟裂纹;膜内含有微小的镍氧化物,在施镀过程中其被还原成金属镍,对化学镀起催化作用[16]。

图1 活化后陶瓷片的SEM图

图2为所得镀层表面的SEM图。由图2可知:镀层完整、致密、细致、分布较均匀。图3为所得镀层的能谱图。由图3可知:镀层由Ni,P两种元素组成,其中 P的质量分数为13.46%,Ni的质量分数为86.54%,属于高磷镀层。

图2 镀层表面的SEM图

图3 镀层的 EDAX图

2.3 导电性能

镀前陶瓷的电阻无穷大,为非导体;镀后金属化陶瓷的电阻趋近于零,为导体,导电性能良好。

3 结论

通过正交实验优化了陶瓷表面化学镀Ni-P合金的工艺参数,确定最佳活化工艺:活化液各成分的质量比为mNiSO4·6H2O∶mNaH2PO2∶mC2H5OH∶mH2O=1∶1∶8∶10,活化浸渍时间为12 min,活化热处理温度为280℃,活化热处理时间为18 min;最佳施镀工艺为:NiSO4·6H2O 30 g/L,NaH2PO230 g/L,p H值4.2,70℃。

镀层在陶瓷表面覆盖完整、均匀,覆盖度达到了100%。经6次热震实验后无起皮、剥落现象,说明镀层与基体的结合力较好。镀层由Ni,P元素组成,其中P的质量分数为13.46%,Ni的质量分数为86.54%。

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Research on Electroless Ni-P Alloy Plating on Ceramics Surface

LI Li-bo1, LI Dong-ping1, ZHANGShu-hua1, ZHAO Chun-shan1, LI Jia1,YANG Zhao-di1, LI Xiao-xia1, XIE Jing-chen1, GUO Shao-wen2
（1.School of Chemical and Environmental Engineering,Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China;2.Department of Electromachanical Control and Automation,Heilongjiang Institute of Technology,Harbin 150050,China）

Electroless Ni-P plating on ceramics surface can not only ensure the original mechanical physical properties,but also achieve a conductive ceramic,thermal conductivity,corrosion resistance as well as the other performance.The researches on electroless Ni-P alloy plating on the ceramics surface and obtains the optimum formula and technology conditions by the orthogonal experiment method.The morphology of the coatings is observed by SEM,the components are analyzed by EDAX,and the adhesion of the coatings and the ceramic is determined by thermal shock method.The results show that the Ni-P coatings obtained under the optimum conditions are uniform,continuous and adhered to the ceramics.The content of P is 13.46%and the content of Ni is 86.54%in the deposition.

electroless nickel-phosphorus plating;ceramics;coverage;adhesion

TQ 153

A

1000-4742（2011）03-0019-03

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（11521041）

2010-11-06

·电 镀·