陶瓷表面化學鍍Ni-P合金工藝的研究

李麗波, 李東平, 張書華, 趙春山, 李 佳, 楊照地, 李曉霞, 謝菁琛, 國紹文

（1.哈爾濱理工大學化學與環境工程學院,黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江工程學院機電控制及自動化系,黑龍江哈爾濱 150050）

陶瓷表面化學鍍Ni-P合金工藝的研究

李麗波1, 李東平1, 張書華1, 趙春山1, 李 佳1, 楊照地1, 李曉霞1, 謝菁琛1, 國紹文2

（1.哈爾濱理工大學化學與環境工程學院,黑龍江哈爾濱 150040;2.黑龍江工程學院機電控制及自動化系,黑龍江哈爾濱 150050）

陶瓷表面經化學鍍鎳處理后既可以保證陶瓷原有的機械物理性能,又可以使陶瓷具有導電、導熱、耐蝕等性能。采用正交實驗的方法,得出陶瓷表面化學鍍鎳的最佳工藝配方和條件。采用掃描電子顯微鏡觀察鍍層微觀形貌,利用能譜儀分析其化學成分,通過熱震實驗測試鍍層與陶瓷的結合力。結果表明:陶瓷表面鍍層覆蓋完整、均勻、致密,鍍層與陶瓷結合良好,鍍層中P的質量分數為13.46%,Ni的質量分數86.54%。

化學鍍Ni-P合金;陶瓷;覆蓋度;結合力

0 前言

近年來,陶瓷及其制品的應用越來越廣泛,但由于陶瓷與金屬之間的結合力較差,使其應用受到極大的限制[1]。若能在陶瓷表面鍍上一層金屬,則會大大改善其與金屬之間的結合力及其他的一些物理性能（如導電性、導熱性等）[2-5]。陶瓷表面金屬化技術很多,有化學氣相沉積（CVD）,物理氣相沉積（PVD）,離子注入,激光表面改性,離子萃取等[6],但這些技術具有成本高,無法大批量生產等缺點。與上述方法相比,化學鍍具有其獨特的優勢,它適用基體廣、均鍍和深鍍能力好、生產方便,改變鍍層成分及其質量分數可實現多種功能[7-14]。本文采用化學鍍的方法在陶瓷表面沉積Ni-P合金,鍍層與陶瓷表面結合良好,既可以保證陶瓷原有的機械物理性能,又可以使陶瓷具有導電、導熱、耐蝕等性能。

1 實驗

1.1 實驗材料

基體采用普通陶瓷。

1.2 工藝流程

1.3 預處理工藝

陶瓷與鍍層之間無法形成金屬鍵合,只能形成機械結合[15],要具有良好的結合力就必須經過預處理。陶瓷是非導體,要在陶瓷表面上進行化學鍍,必須有活性中心（金屬晶核）,這是化學鍍還原反應的催化劑。因此陶瓷表面的預處理是化學鍍的關鍵步驟。

（1）除油

將陶瓷片置于丙酮中,除油10 min。

（2）粗化

粗化的實質是對陶瓷表面進行刻蝕,使表面形成無數凹槽、微孔以增大基體的表面積,確?；瘜W鍍所需要的“鎖扣效應”,從而提高鍍層與基體的結合強度。將陶瓷片放入VHF∶VH2O=1∶1的溶液中,室溫下粗化5 min。

（3）活化

本實驗采用無鈀活化,活化液是一種鎳鹽溶液。在活化處理時,陶瓷表面能吸附足夠的鎳鹽溶液,適當熱處理后,鎳鹽在陶瓷表面及表面的微孔中被還原為活性中心。鎳作為化學鍍鎳的初始沉積點,具有較高的活性,可很快催化生成均勻、完全的覆蓋層。按比例稱取NiSO4·6H2O,NaH2PO2分別置于兩個燒杯中,用量筒量取一定量的 H2O分別倒入兩燒杯中,微熱溶解,再將兩溶液混合,加入一定量的乙醇,配制成活化液?；罨焊鹘M分的最佳質量濃度由正交實驗獲得。將陶瓷片放入活化液中在室溫下浸漬一段時間,取出,放入烘箱中進行活化熱處理。

1.4 化學鍍鎳工藝

NaAc（緩沖劑）12 g/L,檸檬酸（配位劑）12 g/L,硼酸8 g/L;主鹽為 NiSO4·6H2O,還原劑為NaH2PO2,根據正交實驗結果調整主鹽和還原劑的質量濃度,用氨水調節鍍液的p H值。用水浴加熱到施鍍溫度后,將活化后的陶瓷片放入鍍液中,開始施鍍,時間為30 min。

1.5 性能與表征

通過熱震實驗表征鍍層與基體的結合力,將鍍好的樣片置于烘箱中,在250℃下保持30 min,取出后迅速放入冰水中,觀察鍍層是否有起皮、剝落的現象;若沒有,再重復上述實驗,直至脫落為止。若熱震實驗的循環次數超過5次,說明鍍層與基體的結合力良好。

覆蓋度為陶瓷表面金屬層的面積與陶瓷總面積的比值:

式中:C為覆蓋度,%;S金屬層為金屬層面積,cm2;S總為陶瓷總面積,cm2。

采用FEI Sirion型掃描電子顯微鏡對預處理后的陶瓷表面和鍍層微觀形貌進行測試,并用 EDAX能譜儀分析鍍層的成分。

采用DT-9205型數字萬用表測量陶瓷表面化學鍍鎳層的導電性能。

2 結果與討論

2.1 正交實驗

經初步實驗,選出重要影響因素,采用L18（37）正交實驗優化工藝配方及工藝參數。

2.2 微觀形貌及成分分析

圖1為經最佳活化工藝處理后所得陶瓷表面的SEM圖。由圖1可知:陶瓷表面均勻地覆蓋了一層薄膜,表面的小裂紋是活化熱處理形成的龜裂紋;膜內含有微小的鎳氧化物,在施鍍過程中其被還原成金屬鎳,對化學鍍起催化作用[16]。

圖1 活化后陶瓷片的SEM圖

圖2為所得鍍層表面的SEM圖。由圖2可知:鍍層完整、致密、細致、分布較均勻。圖3為所得鍍層的能譜圖。由圖3可知:鍍層由Ni,P兩種元素組成,其中 P的質量分數為13.46%,Ni的質量分數為86.54%,屬于高磷鍍層。

圖2 鍍層表面的SEM圖

圖3 鍍層的 EDAX圖

2.3 導電性能

鍍前陶瓷的電阻無窮大,為非導體;鍍后金屬化陶瓷的電阻趨近于零,為導體,導電性能良好。

3 結論

通過正交實驗優化了陶瓷表面化學鍍Ni-P合金的工藝參數,確定最佳活化工藝:活化液各成分的質量比為mNiSO4·6H2O∶mNaH2PO2∶mC2H5OH∶mH2O=1∶1∶8∶10,活化浸漬時間為12 min,活化熱處理溫度為280℃,活化熱處理時間為18 min;最佳施鍍工藝為:NiSO4·6H2O 30 g/L,NaH2PO230 g/L,p H值4.2,70℃。

鍍層在陶瓷表面覆蓋完整、均勻,覆蓋度達到了100%。經6次熱震實驗后無起皮、剝落現象,說明鍍層與基體的結合力較好。鍍層由Ni,P元素組成,其中P的質量分數為13.46%,Ni的質量分數為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

黑龍江省教育廳科學技術研究項目（11521041）

2010-11-06

·電 鍍·