化学镀镍技术的发展趋势

文章编号:100123849(2003)0420010204　①　

化学镀镍技术的发展趋势

李　鹏,　黄　英,　黄　涛

(西北工业大学化学工程系,陕西西安　710072)

　

摘要:综述了化学镀镍技术今后的发展趋势,主要对化学复合镀镍、特定功能镀层、多元合金镀层及废液的回收与利用等主要发展方向进行了阐述,其中还对目前化学镀镍技术的一些研究成果进行了总结,并对这些方面的主要应用作了介绍。

关　键　词:化学镀镍;合金镀层;发展趋势

中图分类号:TQ153112 文献标识码:A

　

The D evelop m en t Trend of Electroless

N ickle Plati ng Technology

　

L I Peng,HU AN G Y ing,HU AN G T ao

(D epartm en t of Chem ical Engineering,N o rthw estern Po lytechn ical U n iversity,X i’an　710072,

Ch ina)

　

Abstract:T he developm en t trend of electro less n ickel p lating techno logy in the fu tu re are summ arized.I m po rtan t developm en t directi on s of electro less n ickel com po site coatings,specific functi onal coatings,m u ltielem en t alloy coatings,and recovery and reu se of the w aste so lu ti on are m ain ly expounded.Som e study ach ievem en ts of the p resen t electro less n ickel p lating techno logy are also summ arised.M ain app licati on s of these directi on s are in troduced too.

Keywords:electro less n ickel p lating;alloy coating;developm en t trend

　

　

1　前　言

随着社会的发展,为了装饰或某些特殊功能的需要,大部分金属及非金属材料如不锈钢、铝及铝合金、塑料、纤维、陶瓷等在使用前都必须在材料表面上沉积金属。材料金属化的方法很多,如真空镀、离子溅射等,但化学镀技术因其镀件可具有复杂的形状,镀层厚度均匀,且有较高的硬度,较好的耐磨性、耐蚀性、导电性等优良特性,因而用作材料的表面处理,已经引起了人们的广泛关注,在航空、航天、石油化工、机械、电子、计算机、汽车、食品、模具、纺织、医疗等领域得到了广泛的应用。尤其是近年来复合化

①收稿日期:2002212218

基金项目:航天支撑技术基金资助项目(2002EK1803)

作者简介:李鹏(19792),男,湖北天门人,西北工业大学硕士研究生1　

学镀技术的发展,进一步扩大了化学镀技术的应用范围。化学镀技术从理论到实践日益完善,应用领域得到了进一步的拓展。化学镀镍合金层既有施镀工艺简单,又有很强的工程应用特性,已经成为当今材料精饰工业发展最快的功能镀层之一。据统计,化学镀镍每年以15%的增长速度在发展,目前美国化学镀镍企业已有2000多家,产值达10亿美元。我国化学镀镍企业已有300多家[1]。随着市场需求量的增加,化学镀镍理论研究的深入与工艺技术的创新, 21世纪化学镀镍正进入一个蓬勃发展的新时期。

化学镀作为一种新兴的表面处理技术,还有很多方面有待进一步发展,如:微粒与合金的共沉积复合镀技术;研究一些具有特定功能的镀层;开发研究多元合金的化学镀层;化学镀液稳定性及废液处理,这几个方面正在成为镀覆研究领域的发展方向。

本文以化学镀镍合金技术为主,通过介绍目前材料表面化学镀镍中的研究成果综述了化学镀镍技术今后主要的几个研究发展方向。

2　微粒与合金的共沉积复合镀

化学复合镀层如(N i2P)2Si C、(N i2P)2B4C、(N i2P)2金刚石、(N i2P)2A l2O3、(N i2P)2PT FE、(N i2 P)2(CF)n、(N i2P)2M oS2等或具有很高的硬度与很好的耐磨性。[如(N i2P)2Si C、(N i2P)2B4C等],或具有很好的自润滑性能[如(N i2P)2PT FE、(N i2P)2 (CF)n等],这样得到的材料能用于条件非常苛刻的地方,是化学镀镍技术发展的一个重要方向。

目前由于化学镀镍层尤其是复合镀层如(N i2P)2Si C、(N i2P)2T i N、(N i2P)2B4C、(N i2P)2 A l2O3等有很强的耐磨、耐热性,而且这些复合镀层经适当热处理后硬度可达1100～1400HV,因此广泛用于模具、钻头、活塞环等的表面强化。Ge J2P 等[2]研究了B4C粒子含量对(N i2P)2B4C镀层性能的影响,发现粒子的存在并不影响合金的相组成,随着粒子含量增加,复合镀层结合力下降,但镀层的耐磨性与硬度显著增加。Yongjun L i[3]通过合适的工艺得到了Si C的质量分数为25%～30%的复合镀层,与N i2P镀层比较,虽然复合镀层的孔隙率大,结合力和耐蚀性低,但其硬度与耐磨性明显提高了。研究中还发现,在650℃处理1h后,镀层中存在有N i3Si新相。

化学复合镀(N i2P)2PT FE、(N i2P)2(CF)n等具有耐磨和自润滑性,抗摩擦性能好,而且摩擦系数不随温度变化,在高温下仍然表现出较低的摩擦系数,可以用作发动机内壁、活塞环、轴承及其它机器的滑动部件。H u X等[4]研究表明通过加入表面活性剂可以改善PT FE粒子的分散,从而有利于金属与粒子的共沉积,并得到了PT FE体积分数为23%～27%的非晶态镀层。T ang J等[5]则对表面能与摩擦性能之间的联系进行了研究,结果表明PT FE的存在明显改善了镀层的耐磨性能,而且随着表面能的降低,镀层的磨损也降低。

虽然目前化学复合镀技术还存在着不少困难,但其具有很多特殊的优点,促使人们进一步去研究开发,而且化学复合镀技术的发展为制备微观、亚微观粒子完全均匀的复合材料提供了很大的可能性。3　研究具有特定功能的镀层

随着科技的不断进步,研究具有某些特定功能的材料是很有必要的,可以通过赋予表面镀层某些特定功能来满足对材料的要求,如耐高温、耐腐蚀、高强度、高电阻、导电性好、磁性或非磁性等,这样可以大大地降低材料本身的成本,应用范围更广。

目前,电子产业正处于蓬勃发展时期,各种电子元件需求量逐渐增大,而电子元器件的性能、可靠性、生产成本等都高度依赖镀涂技术的发展,所以电子工业也是化学镀镍合金需求量最大的产业之一,因此化学镀镍技术的应用及发展在电子工业中显得尤为重要,这方面的应用研究也成为了化学镀技术发展中的重点。

压电陶瓷材料是一种重要的功能材料,在超声技术、机电转化方面应用广泛,但在应用前要实现表面金属化。骆宏钧等[6]采用化学镀工艺在陶瓷表面覆盖了一层金属层,并进行耐蚀性测试,结果发现在人工海水中腐蚀率为411×1025mm d,很耐蚀。而且采用PdC l2试验测得镀液稳定性也很好。Sh i X等[7]也进行了压电陶瓷表面通过化学镀金属化的试验,结果也证实合金镀层能明显提高基体的耐蚀能力,而且通过一定的热处理工艺能有效的改善镀层与基体间的结合力。

N d2Fe2B永磁体是目前磁性最强的磁体,具有高磁能积、高矫顽力、高剩磁等特点,在计算机硬件、通讯、传感器等方面有很广泛的用途,可是N d易被氧化和腐蚀,降低了其使用寿命。郑华均等[8]采用化学镀镍2磷合金工艺在永磁体表面沉积一层非晶态镍2磷复合层,可以提高其稳定性,合金层耐中性盐

雾试验200h,耐湿热试验(60℃,相对湿度90%) 1000h。

通过化学镀方法可以在树脂基体里形成导电粒子,除了有电磁屏蔽的效用外,还可以解决大规模集成电路与电子设备的连接稳定性问题。H agi w ara 等[9]在pH值为6、温度为70℃的反应条件下采用氨基乙酸作络合剂,明显缩短了反应所需时间以及提高了镀层均匀性,实验表明效果比较好,解决了实际问题,同时为了更好地提高镀层均匀性,还可以加入阳离子表面活性剂来加强粒子分散效果。

现代电子产品的广泛应用,电磁辐射和干扰不仅污染环境,而且严重影响计算机、电子仪器和通讯设备的正常工作,所以需要进行电磁屏蔽,镀层需要有良好的导电、导磁性。导电云母由于相对密度小、导电率高、有光泽、原料广等特点广泛应用于电磁屏蔽和抗静电。杨丽梅等[10]采用化学镀镍工艺制备出导电云母并进行应用试验,结果发现导电云母可以部分代替镍粉制备导电涂料进行电磁屏蔽,并能有效的防止镍粉的沉降,降低其相对密度,同时改善了涂膜的外观。

采用化学镀的方法还可在Si C纤维表面镀覆金属镍涂层,以调节Si C纤维的电磁参数,并可将其用于吸波材料。国防科大的程海峰等[11]通过化学镀方法在碳化硅短切纤维表面进行金属化,并对电磁参数的几个影响因素进行了研究分析,结果发现热处理是调节电磁参数的有效方法,采用氧化性的空气气氛(温度在800℃,时间1h)可以有效地降低电磁参数,而在惰性气氛中可以通过改变处理温度对电磁参数进行精细的调节,同时发现镍含量对电磁参数也有很大的影响,初步认为镍质量分数在2%～5%之间比较合适。浙江大学的陈小华等[12]利用化学镀的方法将镍包覆在碳纳米管表面,形成一维纳米复合材料,同时对工艺条件进行了改进,如加入混合表面活性剂、采用电磁搅拌,并对温度、时间的选择也进行了研究,这样制得的复合材料导电性、抗蚀性、硬度、润滑性等物理性能都得到了较大的改善,可以作为导电材料、耐蚀耐磨涂层、热障涂层、微波吸收材料等。

随着各种电子产品的广泛应用,它们在给人们带来便利的同时也带来了电磁污染,大量案例及专项研究证明:长期受电磁波辐射会引起脑神经、心血管、内分泌等的生理病变,对人体的健康存在着极大的危害。因此,如何保护人体免受电磁波辐射的伤害引起了人们的广泛关注,目前解决这一问题的主要方法是采用具有电磁屏蔽功能的服装制品。

陈文兴等[13]对涤纶织物表面化学镀镍2铜合金进行了研究,结果表明,通过合适的工艺条件可以控制镀层中镍铜含量的比例及铜的晶粒大小,而镀层中的镍完全是以非晶态的形式存在,这样得到的金属化织物在2650～3750M H z频率下对电磁波的屏蔽率达到了9915%以上,屏蔽效果十分优良。此外,金属化织物的耐磨性也良好。

华载文等[14]采用化学镀方法先对纤维或纱线进行金属化处理,制得具有优良导电性和屏蔽性能的导电纤维或纱线,然后分别制成无纺屏蔽布与机织屏蔽布,经上海测试中心测试,其机织屏蔽布在0101～20000M H z的频率下的屏蔽率达到了9919%,无纺屏蔽布在10～2450M H z下的屏蔽率也达到9916%以上,都超过了国外同类产品的水平。经3%的氢氧化钠溶液浸泡24h的耐碱试验后,屏蔽率下降约015%～110%,表明其耐碱破坏性好。

另外,镍2硼镀层中硼质量分数为012%～3%合金镀层最适合工业应用。低硼含量的合金镀层有高电导率、低接触电阻及良好的钎焊性能,具有广泛的应用,在不少地方可代替金的使用。含硼量高的镀层有较高的硬度,应用于各种耐磨零部件、模具等[15]。

4　开发研究多元合金的化学镀层

化学镀镍技术目前已经从单纯的二元合金发展到多元合金,如三元合金(N i2Co2P、N i2Fe2P、N i2Sn2 P、N i2M o2P、N i2M o2B及N i2Cu2P等);四元合金(N i2Co2Fe2P、N i2Co2Cu2P、N i2Fe2P2B、N i2W2Sn2B 等);甚至五元合金(Co2N i2R e2M n2P等)其中N i2 Co2P镀层具有较高的磁矫顽力,较小的剩磁和优良的电磁转换特性;N i2Fe2P及N i2Fe2P2B合金镀层具有很好的软磁特性,可以用在计算机系统的记忆元件上;N i2Cu2P镀层则具有耐蚀性好、非磁稳定性好、导电性好等优点。这些多元合金镀层可以结合各种金属的特性从而制得综合性能更好的新材料。

于升学等[16]对N d2Fe2B永磁体表面进行N i2Cu2P三元化学镀,通过测试,表明三元N i2Cu2P 镀层的孔隙率明显小于N i2P镀层,厚度15Λm可达到无孔隙,同时,三元镀层的耐蚀性也优于N i2P

镀层。

为了更好的提高镀层的吸收屏蔽效果,目前主要研究的是三元甚至多元合金镀层,如N i2Cu2P、、N i2Co2P、N i2Fe2P、N i2Co2Fe2P等等。王玲玲等[17]对N i2Fe2P及N i2Fe2P2B合金膜的磁性进行了研究。实验结果表明铁含量的增加会导致饱和磁化强度的增大。结构为非晶态的N i2Fe2P合金膜具有较优的矫顽力值,而且热处理温度高于400℃后,合金膜的饱和磁化强度连续减小,矫顽力急剧增大,同时镀层的均匀性也得到了明显的改善。

多元合金化学镀镍技术的发展为更多种类的金属共沉积提供了很大的可能性,这些将会更好的促进化学镀技术的发展及应用,因此开发多元合金镀层也是化学镀镍技术的一个重要发展方向。

5　化学镀液稳定性及废液处理

化学镀镍溶液是一个热力学不稳定的体系,如果溶液局部过热、pH值升高或某些杂质的存在都会在镀液中形成一些具有催化活性的微粒,会引起镀液的变质,乃至发生自分解,所以镀液的稳定是很重要的,尤其是现代复合镀技术的发展,加入粒子后更要考虑溶液的稳定性。研究开发新型稳定剂对提高溶液的稳定性是非常有意义的,目前主要是向复合型方向发展,以期研制出高效的稳定剂。同时,化学镀镍技术发展的多样性也要求研究出新的还原剂来获得新的化学镀工艺,从而满足各种不同的需要。

另外,随着人们对环保的日益重视,镀液的净化及再利用也成为了一个新的发展方向,目前主要探索将一些较为先进的技术应用或综合应用到废液处理,如电渗析技术、膜渗析技术、反渗透技术[18],但这些技术也存在投资成本高、操作费用高的问题,所以研究新的高效率的先进技术也是势在必行,这将对化学镀技术的广泛应用起到很大的促进作用。

6　结束语

化学镀技术自问世以来得到了飞速的发展,理论与实际工艺也逐渐成熟,但也有很多地方有待进一步的创新,除了上面提到的几个主要的发展方向外,另外一些特殊技术在工艺中的应用也是很有前途的,如对镀液进行磁化处理能得到意想不到的效果。对镀液进行磁化处理,镀液内部各种离子会表现出磁极性,这样减少了离子析出时的能量,易于取向从而使获得的镀层表面结构致密、孔隙率低、结合力好,强度高[19]。此外,一些新型的化学镀技术如激光化学镀、脉冲化学镀、微波化学镀[20]等,也有待人们进一步研究开发。参考文献:

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