工艺条件对电沉积Cu-SiO2复合镀层形貌与硬度的影响

周言敏， 李建芳

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

工艺条件对电沉积Cu-SiO2复合镀层形貌与硬度的影响

周言敏， 李建芳

（重庆电子工程职业学院，重庆 401331）

采用电沉积方法制备Cu-SiO2复合镀层，并研究了搅拌速率、电流密度和电流施加方式对其形貌与硬度的影响。结果显示：随着搅拌速率的提高，复合镀层的形貌先趋好后变差，硬度先升高后降低；而随着电流密度的增加，复合镀层的形貌呈现逐渐变差的趋势，硬度近似线性降低；在同等条件下，电流以脉冲形式施加有利于改善复合镀层的形貌，密实组织结构，提高硬度。

形貌；硬度；Cu-SiO2复合镀层；工艺条件

0 前言

铜基复合镀层既具有铜优良的导电、导热性能，又展现出较高的屈服强度及较好的耐磨、耐高温性能，因而受到广泛关注。王金东等［1］和谢兰清等［2］均采用超声波搅拌－电沉积法制备出Cu-SiC复合镀层，并分别对其性能进行了考察。陈劲松等［3］利用喷射电沉积工艺制得Cu-Al2O3纳米复合镀层，并对影响其硬度的因素进行了分析。基于复合电沉积工艺，朱建华等［4］同样制备出Cu-Al2O3纳米复合镀层，并对其拉伸性能、磨损性能及导电性能进行了研究。除此之外，王文芳等［5］、Xu X Q 等［6］和芮世轩［7］还分别研究了电沉积 Cu-TiO2复合镀层、Cu-液体微胶囊复合镀层和Cu-MoS2复合镀层的结构与性能。

SiO2微粒具有耐腐蚀、耐磨损和硬度高等优点。将其作为增强相与基相铜离子共沉积，有望制备出叠加各相优势性能的铜基复合镀层。然而截至目前，关于Cu-SiO2复合镀层的制备工艺及性能研究仅有为数不多的文献报道［8－9］。鉴于此，本文采用电沉积工艺制备Cu-SiO2复合镀层，并探讨了工艺条件对复合镀层形貌与硬度的影响。

1 实验

1.1 材料和方法

镀液配方为：硫酸铜220g/L，硫酸50g/L，氯化钠适量。阳极为镀铜专用的磷铜板，阴极为不锈钢板。共沉积惰性不溶微粒选用经表面改性处理的高纯度SiO2，粒径约为2μm，添加量为15g/L。

电镀前，严格按照规范流程分别对阳极和阴极进行预处理，同时施加高频超声波振荡搅拌镀液，对微粒进行解聚分散处理。电镀中，电流分别以直流形式和脉冲形式施加。设定直流电流密度为3～11 A/dm2。脉冲电流密度为5A/dm2，占空比为0.2。镀液采用磁力搅拌，搅拌速率为50～450r/min，温度控制在30℃。

1.2 分析测定

Cu-SiO2复合镀层经相关处理后，采用KYKY－2800B型扫描电镜观察其形貌，并利用HV-1000型显微维氏硬度计测定其硬度。测定硬度时，施加载荷为50g，保压10s，结果取平均值。

2 结果与讨论

2.1 复合镀层的形貌

电流以直流形式施加，并保持电流密度在5 A/dm2，仅研究搅拌速率对Cu-SiO2复合镀层形貌的影响，结果如图1所示。

图1 搅拌速率对Cu-SiO2复合镀层形貌的影响

由图1可知：搅拌速率为50r/min时，复合镀层的晶粒较粗且尺寸不一，晶界明显导致存在孔洞，呈现疏松多孔状结构。低速搅拌难以促使尺度较大的微粒悬浮于镀液中，故微粒与基质金属离子共沉积的几率小，复合镀层中微粒的质量分数低，未能有效发挥作用。随着搅拌速率的提高，复合镀层的晶粒细化，晶间缝隙弥合，结构趋于致密，见图1（b）。此后，复合镀层呈现出类似图1（a）所示的粗大胞状晶粒、疏松多孔状结构，见图1（c）。根据物理学理论，镀液搅拌速率越高，微粒所受离心力越大。换言之，微粒黏附于沉积表面越牢靠，因而越容易与基质金属离子共沉积，发挥改善复合镀层形貌的作用。

鉴于搅拌速率为350r/min时制备的Cu-SiO2复合镀层的形貌质量最好，保持350r/min恒定，转而研究电流密度对复合镀层形貌的影响，结果如图2所示。由图2可知：复合镀层的形貌随电流密度的增加呈现逐渐变差的趋势。

图2 电流密度对Cu-SiO2复合镀层形貌的影响

综上所述，采用过低/过高的搅拌速率及较高的电流密度，所得Cu-SiO2复合镀层的形貌质量不尽理想。将电流以脉冲形式施加，对比不同电流施加方式下所得Cu-SiO2复合镀层的形貌，结果如图3所示。由图3可知：脉冲复合镀层的形貌有所改善，表面趋于平整，晶粒尺寸较小且组织致密程度提高。这归因于脉冲电流导通期间，高瞬时电流密度使电化学极化作用增强，提高成核几率并减小结晶晶粒临界尺寸，加之辅助微粒的作用，实现晶粒细化。

图3 不同电流施加方式下所得Cu-SiO2复合镀层的形貌

2.2 复合镀层的硬度

图4和图5分别为仅改变单一因素情况下制备的Cu-SiO2复合镀层的硬度变化曲线。可以看出：复合镀层的硬度随搅拌速率的提高先从861MPa增至1 117MPa，然后降至1 039MPa；而随电流密度的增加从1 168MPa直降至889MPa。

图4 Cu-SiO2复合镀层的硬度随搅拌速率的变化曲线 （直流电流密度5A/dm2）

图5 Cu-SiO2复合镀层的硬度随电流密度的变化曲线 （搅拌速率350r/min）

根据文献［10］中推导出的复合镀层的硬度与其中微粒质量分数的定性关系，并结合上文分析，不难作出解释：采用适宜搅拌速率和较低电流密度，均有助于促进微粒与基质金属铜离子共沉积，提高复合镀层中微粒的质量分数。而微粒的质量分数越高，所发挥的细晶强化作用和弥散强化作用越明显，自然复合镀层的结构较致密，硬度较高。

同样，电流以脉冲形式施加，也有利于提高微粒的质量分数、细化晶粒，因而制备的Cu-SiO2复合镀层的硬度偏高。以电流密度5A/dm2，搅拌速率450r/min条件下制得的两种Cu-SiO2复合镀层为例，测定结果显示：电流以脉冲形式施加，硬度提高约13.6%。

3 结论

采用电沉积方法制得Cu-SiO2复合镀层，并进一步研究了搅拌速率、电流密度和电流施加方式对其形貌与硬度的影响。得出结论：（1）随着搅拌速率的提高，复合镀层的形貌先趋好后变差，硬度先升高后降低；而随着电流密度的增加，复合镀层的形貌呈现逐渐变差的趋势，硬度近似线性降低。（2）在同等条件下，电流以脉冲形式施加有利于改善复合镀层的形貌，密实组织结构，提高硬度。

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［1］王金东，谷硕，夏法锋.Cu-SiC复合镀层制备工艺及表征研究［J］.兵器材料科学与工程，2012，35（6）：11-13.

［2］谢兰清，王彩霞.辅助超声振荡电沉积Cu-SiC复合镀层的结构与性能［J］.兵器材料科学与工程，2013，36（2）：72-76.

［3］陈劲松，黄因慧，刘志东，等.喷射电沉积Cu-Al2O3复合电铸层性能研究［J］.材料科学与工艺，2008，16（5）：638-641.

［4］朱建华，刘磊，赵海军，等.电铸nano-Al2O3/Cu复合材料的组织与性能［J］.复合材料学报，2006，23（4）：65-71.

［5］王文芳，吴玉程，郑玉春，等.铜－纳米金属氧化物复合镀层的制备及组织性能研究［J］.稀有金属，2004，28（2）：301-303.

［6］XU X Q，ZHU L Q，LI W P，et al.Microstructure and deposition mechanism of electrodeposited Cu/liquid microcapsule composite［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2011，21（10）：2 210-2 215.

［7］芮世轩.MoS2/Cu复合刷镀层制备及真空摩擦性能［D］.秦皇岛：燕山大学，2012.

［8］王莉萍.电沉积镍基/铜基纳米复合镀层制备、组织结构与性能研究［D］.合肥：合肥工业大学，2005.

［9］王文芳，吴玉程，郑玉春，等.纳米SiO2/Cu复合镀层的制备和组织性能研究［J］.材料保护，2004，37（2）：15-16.

［10］王玉林，赵乃勤，董刚，等.Al2O3颗粒粒径和含量对α-Al2O3/Cu复合镀层性能的影响［J］.复合材料学报，1998，15（1）：78-82.

Effects of Process Conditions on Morphology and Hardness of Electrodeposited Cu-SiO2Composite Coating

ZHOU Yan-min， LⅠ Jian-fang
（Chongqing College of Electronic Engineering，Chongqing 401331，China）

The Cu-SiO2composite coating was prepared by electrodeposition，and the effects of agitation rate，current density and current applying way on its morphology and hardness were investigated.The results show that with the increasing of agitation rate，the morphology of the composite coating is improved first and then becomes worse，and the hardness increases first and then decreases；with the increasing of current density，the morphology of the composite coating shows a gradually worsening trend，and the hardness reduces almost linearly；under the same conditions，the current applied in pulse form is better for improving the morphology，compacting the structure and increasing the hardness of the composite coating.

morphology；hardness；Cu-SiO2composite coating；process condition

TQ 153

A

1000-4742（2014）05-0001-03

2014-04-16