化学镀铜对氧化铝陶瓷和高铬铸铁之间润湿性的影响

刘少飞，李星洲，桑可正

(1．长安大学材料学院，陕西 西安 710064;2．西北工业大学材料学院，陕西 西安 710072)

0 前言

为了改善金属与陶瓷之间的润湿性，一般先对陶瓷颗粒表面采取预处理措施，陶瓷颗粒表面预处理有以下两个作用:一是增加固体粒子的总体表面能;二是减小或消除陶瓷颗粒表面吸附杂质和气体，进而提高陶瓷与金属液之间的润湿性［1］。考虑其他预处理方法在成本、工艺上的复杂性，日常生产中常用表面化学镀层的工艺方法。目前，对Al2O3陶瓷常用镀铜和镀镍工艺。

本实验采用的陶瓷为Al2O3陶瓷，合金为高铬铸铁，对Al2O3陶瓷表面进行处理，通过改变接触界面来改善Al2O3陶瓷与高铬铸铁之间的润湿性，进而减小Al2O3陶瓷和高铬铸铁之间的润湿角。化学镀铜前，要对陶瓷表面进行预处理，主要包括清洗、粗化、敏化三步。超声波清洗以除去材料表面的油污和杂质;粗化的目的是改变基体表面形貌，增大基片表面粗糙度，以提高结合强度;而活化过程是为了在基体表面吸附一层催化薄膜，诱导、加速化学镀沉积反应的进行［2］。

1 实验材料及方法

1.1 氧化铝陶瓷的制作

实验所用陶瓷为固溶度50%的氧化铝陶瓷，该陶瓷试样通过湿法制得，其制备配方见表1、2所示。

表1 配方1Table 1 Formula 1

表2 配方2Table 2 Formula 2

氧化铝陶瓷烧结过程如图1所示 (高温热处理炉内加热)。

图1 陶瓷烧结阶段图Fig.1 Section of ceramic post sintering

经过制坯、烧结、研磨阶段，得到固溶度50%的Al2O3陶瓷。

1.2 化学镀铜

在Al2O3陶瓷进行化学镀铜之前，首先要采取表面预处理措施，主要包括清洗、粗化、敏化三步。经过预处理后的陶瓷基片，再放入含铜的镀液中施镀，化学镀铜的具体工艺步骤及镀液配方分别见表 3、4［3］:

表3 化学镀铜预处理步骤Table 3 Pretreatment steps of chemical Cu-plating

1.3 润湿角的测量

高铬铸铁与陶瓷之间润湿角的大小可以衡量二者之间润湿性的好坏，润湿角愈大，润湿性愈差，反之润湿性愈好。测量润湿角采用座滴法模型，模型如图2，将高铬铸铁加热至1600℃，铸铁熔化后控制液滴质量小于等于0.25 g［4］，滴在已化学镀铜的Al2O3陶瓷试样上，测量二者之间润湿角。

表4 化学镀铜铜液Table 4 Copper liquid for chemical Cu-plating

图2 座滴法模型示意图Fig.2 Model for sessile drop method

2 结果与讨论

2.1 陶瓷试样的宏观照片及结果分析

与图3未做任何化学处理的Al2O3陶瓷试样相比，图4可以看到镀铜后的Al2O3陶瓷试样存在明显的粗化痕迹，陶瓷表面出现小凹坑，这些凹坑能够保障后期金属－陶瓷之间更好的结合，进而减小二者之间的润湿角。镀铜后Al2O3陶瓷片的颜色呈褐红色，但放置一段时间后由于受到空气氧化，有一部分发生反应生成了一层氧化铜，因而表面略显黑色。

图3 未经化学处理Al2O3陶瓷试样Fig.3 Al2O3ceramic sample before chemical treatment

图4 镀铜后Al2O3陶瓷试样Fig.4 Al2O3ceramic sample after copper plating

2.2 润湿结果及分析

在将高铬铸铁熔液滴至陶瓷片上时，需要控制金属熔液的质量，一般将液滴控制在0.25 g的范围内，实验发现，液滴质量控制不好，可能会导致陶瓷试样发生破碎;控制得当，则会出现较规则的润湿角，容易测量。

2.2.1 碎裂形貌分析

在将熔化的高铬铸铁金属液滴在未做任何处理的陶瓷试样表面的一瞬间，陶瓷试样发生了如图5的破碎现象，分析其原因，主要由以下两方面。

图5 破碎的陶瓷Fig.5 Cracked ceramic

一是金属、陶瓷二者的导热系数、热膨胀系数差异的影响。一般来说，陶瓷与金属的热膨胀系数相差很大，在高温条件下二者之间会产生内应力。陶瓷与金属的热膨胀系数相差越小，产生的内应力越小，连接面的的强度越高［5］。在20℃时，钢的导热系数为36～54 W/(m·K)，陶瓷为0.7～1.16 W/(m·K)之间。随温度的升高，两者的导热系数呈不同的变化趋势，但在1350℃时，钢的导热系数仍是比陶瓷大得多。钢的热膨胀系数随温度的升高而增大，Al2O3陶瓷在150～1050℃范围内，平均线膨胀系数为(7.85±0．02) ×10－6/℃，且随着温度升高，其瞬态线膨胀系数不断减小。

二是热冲击的影响。实验过程中，Al2O3陶瓷处于室温状态，而高铬铸铁熔液温度在1600℃左右，巨大的温度差使得Al2O3陶瓷受到了急热冲击的影响，二者之间产生了比较大的热应力，这种热应力使Al2O3陶瓷发生破碎。

2.2.2 润湿角分析

镀Cu的AI2O3表面上高铬铸铁滴液如图6所示。对图7进行分析，可以明显看出，高铬铸铁滴在镀铜的氧化铝陶瓷表面的润湿角较小，对该结果进行简化后可以较精确测量出二者之间的润湿角，如图所标注48°，润湿性较好。而据文献记载［6］，Al2O3陶瓷与铁之间的润湿角为140°左右，与耐热钢之间的润湿角为92°，耐热钢中含Cr量为24.5%，而实验所用的高铬铸铁含Cr量仅为15%左右，由于合金元素对金属－陶瓷的润湿性有改善作用，故高铬铸铁与陶瓷的润湿角大于92°，由此我们可以得出结论，化学镀铜能够较明显的改善金属－陶瓷之间的润湿性。

3 结论

(1)效仿座滴法模型，测出高铬铸铁与镀铜后的Al2O3陶瓷之间的润湿角约48°，润湿角较小，说明经镀铜处理Al2O3陶瓷与高铬铸铁之间的润湿性得到了明显改善。

(2)熔化的高铬铸铁金属液滴落在未处理的陶瓷试样表面的一瞬间，Al2O3陶瓷试样容易发生破碎，造成这种现象的原因有以下两方面:一是二者热膨胀系数、导热系数差异较大;二是巨大热冲击力的影响。

(3)通过湿法可以制备出固溶度为50%的Al2O3陶瓷。

［1］ 孙墨汉，牛建平．改善陶瓷颗粒/金属基体润湿性的方法［J］．沈阳大学学报，1998，75．

［2］ 李志勇，穆道彬，马营生．提高Al2O3陶瓷表面化学镀 Cu层结合力的研究 ［J］．材料保护，1999(8)．

［3］ 夏章能，徐洁．AlN陶瓷表面化学镀Ni－P合金［J］．材料保护，1998，31(6):19－21

［4］ 任家烈，吴爱萍，彭真山等．Al及其合金作为钎料或中间层连接陶瓷 －金属 ［J］．材料学报，1999，13(2):16－21．

［5］ 胡信国，张钦京．化学镀镍技术的新进展．新技术新工艺 ［J］．材料与表面处理，2001(2):35－37．

［6］ 王恩泽，忘恩万，邢建东．涂层对氧化铝/耐热钢液间润湿角的影响及其应用［J］．西安交通大学学报，2000，34(11):79－81．