Ni-Co-P/EG 復合材料制備及其電磁性能研究

宣兆龍，張倩

（軍械工程學院，石家莊 050003）

膨脹石墨（EG，expanded graphite）作為一種新型碳素材料，以其膨化率高、導電率高、吸附性強、隔熱性能優良等優點在吸附、密封、減震、環保等方面得到廣泛應用。文獻[1]報道了膨脹石墨蠕蟲因其吸收、散射特性而在電磁屏蔽領域得到應用。非晶態合金則由于其優異的力學、化學及磁學等性能廣泛應用于表面金屬材料。筆者研究了化學鍍在膨脹石墨表面及內部孔結構上制備Ni-Co-P非晶態合金鍍層及其對膨脹石墨電磁屏蔽效能的影響，探索了能夠同時提高膨脹石墨電、磁損耗的新途徑。

1 Ni-Co-P/EG 復合材料制備

目前，非晶態合金的制備方法主要有液態急冷法（包括激光加熱）、氣相沉積法（包括真空蒸鍍、離子鍍、濺射法、CVD 等）、溶液離子鍍（電鍍、化學鍍等）等制備方法[1]。與其他方法相比，化學鍍方法具有鍍層厚度均勻且易于控制，表面光亮致密，材料適用性廣，工藝設備簡單等優點，是獲得非晶態合金最為經濟、簡便的技術手段[2—4]。

非晶態合金作為在性能上優于其他材料的新型電磁屏蔽材料是利用磁旁路原理來引導場源所產生的電磁能流，使電磁能量不進入空間防護區。但是，僅采用單一的鍍層材料難以獲得良好的使用效果。為此可在化學鍍鎳磷溶液中加入其他金屬鹽，以產生三元非晶態合金，如Ni-Cu-P，Ni-Co-P等[5]。筆者選擇的Ni-Co-P 合金鍍層與Ni-P 合金相比，具有更高的導電性和耐蝕性，鎳與鈷的磁導率很高，約為銅粉的100倍，而且導電穩定性也比較好，適于作磁屏蔽材料。化學鍍Ni-Co-P鍍液基礎配方及工藝流程如下：膨脹石墨除油—粗化—敏化—活化—還原—化學鍍鎳-鈷。

膨脹石墨（自制）在50～60 ℃下NaOH水溶液（質量分數為10%）中超聲震蕩15 min，取出樣品用去離子水沖洗至中性，用抽濾漏斗過濾，將得到的膨脹石墨加入適量去離子水洗滌至中性。然后在50～60 ℃下HNO3水溶液（質量分數為10%）中超聲波震蕩粗化15 min，取出樣品用去離子水沖洗至中性，放入烘箱中40 ℃烘干。用敏化液（鹽酸體積濃度為60 mL/L，SnCl2·2H2O質量濃度為10 g/L）室溫下超聲波震蕩敏化15 min，取出樣品用去離子水沖洗干凈。用活化液（鹽酸體積濃度為10 mL/L，PbCl2質量濃度為0.3 g/L）室溫下超聲波震蕩活化15 min，取出后用去離子水沖洗3～5次。將1 g經敏化—活化處理過的膨脹石墨加入裝有100 mL鍍液（CoSO4·7H2O質量濃度為14 g/L，NiSO4·6H2O質量濃度為14 g/L，C6H5Na3O7·2H2O質量濃度為70 g/L，NaH2PO3·H2O質量濃度為30 g/L）的錐形瓶，并將錐形瓶置入超聲波振蕩器，在水溫85℃以及超聲波震蕩的條件下進行反應。反應時有大量的氣泡放出，鍍覆時間分別為10，20，30，40 min，在反應過程中應間斷地用玻璃棒進行攪拌，防止鍍覆過程中由于粉體增重而沉入瓶底影響鍍覆的效果。

2 Ni-Co-P/EG復合材料電磁性能分析

2.1 表征

圖1 是化學鍍Ni-Co-P 合金前后膨脹石墨的外觀形貌。

由圖1 可知，合金鍍覆后并未改變膨脹石墨的形態，仍為彎曲蠕蟲狀，表面呈現灰的金屬色，經能譜檢測為Ni-Co-P合金。

圖1 化學鍍Ni-Co-P合金前后膨脹石墨的外觀形貌Fig.1 Appearance of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

2.2 電性能測試

稱取一定質量的膨脹石墨壓片，壓強為5 MPa。電阻率測試采用與膨脹石墨接觸面為1 cm2的棒狀電極，按圖2所示進行對角測試，并符合以下要求：

1）電極截面必須清潔；

2）測試電極采用端面為10 mm×10 mm 的方塊；

3）為使電極截面與被測樣品有良好的接觸，測試端面應施加2 kg/cm2的壓強；

4）測試設備的精度不低于0.001 Ω。

歐姆計選用美國生產的數字化萬用表（PACKARD 3455A Digital Volt Meter），精度不低于 0.001 Ω。為使所測表面電阻率準確、可靠，測試時，按圖2 所示位置進行兩次對角測試，測試樣品為正方形（100 mm×100 mm），4 個電極電位分別置于4 個角，對角距離為L，所得測量值分別為R1，R2。

表面電阻率ρs為：

ρs=（ρs1+ρs2）/2

式中：ρs1=R1/L；ρs2=R2/L；L=127 mm。

圖2 化學鍍膨脹石墨表面電阻率測試Fig. 2 Sketch map of measuring surface resistivity of Ni-Co-P alloy plated EG

膨脹石墨在鍍覆金屬10，20，30，40 min 時表面電阻率與鍍層金屬沉積量之間的關系見表1，膨脹石墨表面沉積了一層連續的Ni-Co-P合金鍍層使其表面電阻率大幅度降低到5.47×10-2Ω/cm 左右，使塑料具有了導電性能。

表1 沉積時間與鍍層金屬Ni-Co沉積量、表面電阻率關系Table 1 The deposit time and deposit rate of metal Ni-Co and its surface resistivity

2.3 電磁屏蔽性能

將EG壓制成直徑為100 mm、厚度為2 μm的圓片試樣，用網絡分析儀測定其屏蔽效能的高低，頻率掃描點為200，400，600，800，1 000 MHz。圖3為石墨蠕蟲化學鍍Ni-Co-P合金前后電磁屏蔽效能變化趨勢圖。

圖3 電磁屏蔽效能變化Fig. 3 Electromagnetic shielding efficiency of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

由圖3 可以看出，電磁屏蔽效能隨頻率的變化趨勢明顯不同，未鍍合金前膨脹石墨電磁屏蔽效能隨頻率的增加呈現逐漸增大趨勢；鍍覆合金后膨脹石墨的電磁屏蔽效能基本平穩，維持在高水平，電磁屏蔽效能均高于50 dB，最高達到69 dB。由電磁屏蔽的傳輸線理論（Schelkunoff理論）可知，Ni-Co-P合金可有效提高復合材料的相對磁導率和相對電導率，從而達到提高材料電磁屏蔽性能的目的。

3 結論

通過表面化學鍍Ni-Co-P 三元非晶態合金鍍層，Ni-Co-P/EG 材料電磁屏蔽效能明顯提高，Ni-Co-P/EG 材料電磁屏蔽效能均高于50 dB，最高達到69 dB。主要是Ni-Co-P 三元合金鍍層中鐵磁性很強的鈷元素的加入，使鍍層的相對電導率與磁導率的乘積增大，電磁波的吸收損耗增加。

[1]曹夢竺，陽應華，王興涌.膨脹石墨的研究與應用現狀[J].炭素技術，2003，127（4）：34—36.

[2]渡辺徹.非晶質めつき[J].金屬表面技術，1987，38：210—216.

[3]姜曉霞，沈偉.化學鍍理論與實踐[M].北京：國防工業出版社，2004：120—123.

[4]高誠輝.鐵-鎳-磷合金電沉積及其摩擦學行為[D].北京：機械科學研究院，1990：12—15.

[5]宣天鵬，卑多慧.化學鍍鈷-鎳-磷合金鍍層沉積速度的探討[J].電鍍與涂飾，2000，19（2）：6—9.