電沉積制備銅基復合鍍層的研究進展

姚建國， 寧 欣， 蘇建修

（河南科技學院，河南 新鄉 453003）

電沉積制備銅基復合鍍層的研究進展

姚建國， 寧 欣， 蘇建修

（河南科技學院，河南 新鄉 453003）

兼具工藝成本低、工藝流程簡單和工藝柔性好等優勢的電沉積技術，是制備單元/多元金屬基復合鍍層的工藝方法。以電沉積制備銅-非金屬化合物復合鍍層和銅-金屬微粒復合鍍層為主題，選取制備工藝、參數條件優化及性能表征等方面作為切入點，分別進行概述。

銅基復合鍍層；電沉積；氧化鋁；碳化硅；二氧化硅

0 前言

銅基復合鍍層是以金屬銅為基體，以非金屬化合物微?；蚪饘傥⒘樵鰪婓w的鍍層。它不僅具備金屬銅優良的導電性、導熱性和延展性，還表現出良好的機械性能［1］。銅基復合鍍層在很大程度上拓寬了鍍銅層的應用空間，其制備工藝及性能表征成為研究的熱點。

1 銅－非金屬化合物復合鍍層

1.1 銅－氧化鋁復合鍍層

氧化鋁（Al2O3）微粒以其高強度、高硬度等優點而在復合電沉積工藝中受到青睞，常扮演著增強相的角色，用于制備金屬基復合鍍層。

陳勁松等［2］基于噴射電沉積工藝制得Cu-Al2O3復合鍍層，同時研究了鍍液噴射速率、電流密度和Al2O3微粒的添加量對復合鍍層中微粒的質量分數的影響，從而進一步分析了復合鍍層的成分，表征了晶粒及微粒分布狀況。李國俊等［3－4］采用復合電沉積技術制得含α-Al2O3微粒的增強銅基復合鍍層，并探討了鍍液成分、添加劑類型、Al2O3微粒的添加量、攪拌方式及攪拌速率、施鍍時間等多個工藝因素對復合鍍層中Al2O3微粒的體積分數的影響，以期制備出高體積分數的復合鍍層。隨后，又分別以顯微硬度、伸長率和電阻率為指標，考察了復合鍍層的機械性能和電學性能。得出結論：復合鍍層的顯微硬度、伸長率和電阻率的改變歸因于α－Al2O3微粒的加入，且受微粒添加量的影響較為明顯。不同于上述研究思路，陸偉［5］首先從仿真角度，利用神經網絡模型并結合正交試驗法，預測了Al2O3微粒的添加量、磁力攪拌速率和電流密度等工藝參數對Cu-Al2O3納米復合鍍層中微粒的質量分數的影響；接著開展試驗，驗證了仿真結果。朱福良等［6］采用脈沖電沉積工藝制得Cu-Al2O3納米復合鍍層，并研究了脈沖頻率、脈沖占空比、攪拌速率和鍍液溫度等因素對復合鍍層顯微硬度的影響。得出結論：顯微硬度隨脈沖頻率的增大、攪拌速率的加快和鍍液溫度的升高呈現先增大后減小的變化趨勢，而隨脈沖占空比的增大呈現先減小后增大的變化趨勢。同樣針對于銅基復合鍍層的性能，王玉林等［7］則選取磨損率作為評價指標，研究了電沉積Cu-Al2O3復合鍍層的耐磨性。結果表明：耐磨性隨微粒的質量分數的增大、微粒粒徑的減小及復合鍍層硬度的增大而增強。同時，采用掃描電鏡觀察了復合鍍層磨損前后的表面形貌。結果顯示：存在黏著磨損和磨粒磨損跡象，且磨損程度因微粒的粒徑和微粒的質量分數不同而有所差異。

鑒于銅基復合鍍層展現出較優良的綜合性能，為從微觀結構層面揭示其原因所在，趙乃勤等［8］借助光學顯微鏡和掃描電鏡開展了研究。分析表明：復合鍍層前后期分別存在平面胞狀和螺旋脊狀兩種不同的生長形態，且均受電沉積工藝參數（如電流密度、沉積時間等）的影響。盡管復合鍍層的生長形態無法改變，但可通過篩選工藝參數間接控制復合鍍層的性能，以獲取期望的結果。

1.2 銅－碳化硅復合鍍層

碳化硅（SiC）是一種陶瓷微粒，兼具高硬度、耐磨損和耐高溫氧化等優點。以其作為添加微粒與基質金屬銅共沉積，有望制備出集各自優勢性能于一體的Cu-SiC復合鍍層，進一步拓寬銅基復合鍍層的應用空間。

馬春陽等［9］和王金東等［10］分別采用機械攪拌電沉積方法和超聲波－機械復合攪拌電沉積方法，實現納米尺度的SiC微粒與銅離子共沉積，獲得Cu－SiC納米復合鍍層。前者利用摩擦磨損試驗機考察了復合鍍層的耐磨性。實驗發現：耐磨性不同程度地受電流密度、機械攪拌速率、SiC微粒的添加量及鍍液pH值影響。采用正交試驗法，優選出制備具有良好耐磨性的Cu-SiC納米復合鍍層的工藝參數組合。后者同樣優選出制備具有良好耐磨性的Cu－SiC納米復合鍍層的工藝參數組合，并對復合鍍層磨損前后的形貌進行了對比。Zhu等［11］開發出一種能有效促使SiC微粒與銅離子共沉積的組合添加劑，并研究了添加劑的用量、機械攪拌強度和電流密度等工藝參數對復合鍍層中SiC的質量分數的影響。Li等［12－13］采用電刷鍍方法制備 Cu-SiC復合鍍層，并開展了專題研究。相繼觀察了刷鍍速率、刷鍍時間和電流密度對復合鍍層形貌的影響規律，分析了SiC微粒的添加量和刷鍍電壓對復合鍍層顯微硬度的影響規律，以及電流密度和SiC微粒的質量分數對復合鍍層耐磨性的影響規律。同時，對電刷鍍制備Cu-SiC復合鍍層的機制進行了探討，表征了晶粒形態、尺度及分布狀況，揭示了晶粒的生長模式及微粒與晶粒共沉積的過程。

1.3 銅－二氧化硅復合鍍層

與碳化硅微粒類似，二氧化硅（SiO2）微粒也具有耐磨損、高硬度等優點，并且在耐腐蝕方面同樣表現優良。作為一種細氧化物粉體，SiO2在制備銅基復合鍍層方面也有一定的應用。但相比較而言，圍繞Cu-SiO2復合鍍層的研究尚未鋪展開，截至目前僅有為數不多的文獻報道。

曹玉瑞等［14］采用超聲波電沉積法制備出Cu－SiO2納米復合鍍層。實驗發現：復合鍍層的組織結構隨電流密度的增加漸趨稀松，而隨超聲波功率的提高先改善后惡化；顯微硬度則隨電流密度的增加和超聲波功率的提高呈現出相似的變化趨勢。利用常規的電沉積工藝，王文芳等［15］和王法斌等［16］同樣制得Cu-SiO2納米復合鍍層。前者借助掃描電鏡觀測發現：所得復合鍍層的結構較為致密，但致密度和晶粒尺寸均受復合微粒的粒度及工藝參數影響。同樣，顯微硬度測定和磨損試驗結果也表明：復合鍍層的顯微硬度和耐磨性均隨工藝參數的改變出現明顯波動。合理設定參數條件有利于制備出結構致密、性能優良的Cu-SiO2納米復合鍍層。后者則針對Cu-SiO2納米復合鍍層的耐蝕性，運用浸泡腐蝕失重法、電化學測試等方法展開評價。

對于Cu-SiO2復合鍍層，除表征其組織結構和分析其物化性能外，其中SiO2微粒的嵌合量也是關注的方面。王莉萍等［17］的研究表明：Cu-SiO2復合鍍層中SiO2微粒的質量分數隨鍍液中微粒的質量濃度的升高和沉積時間的延長而升高，并且施加超聲波有助于微粒的質量分數的提升。同時，還研究了微粒的質量濃度和沉積時間對共沉積速率的影響規律。

除此之外，譚澄宇［18］和賀春林等［19］還分別研究了Cu-ZrW2O8復合鍍層、Cu-TiO2復合鍍層的結構與性能。

2 銅－金屬微粒復合鍍層

優良的延展性、導電性和導熱性是金屬銅的優勢性能，但機械性能不理想是其不足，在一定程度上限制了其應用?；诠渤练e原理可選擇性地實現銅離子與多種金屬微粒共沉積，有望彌補某些劣勢性能，獲得綜合性能優良的銅基復合鍍層。

洪逸等［20］利用復合電沉積工藝，于純銅電觸頭表面鍍覆Cu-W復合鍍層。測試表明：觸頭的抗熔焊性能和抗電弧燒蝕性能得到大幅提高，可滿足應用要求。并在此基礎上，通過正交試驗法考察了鍍液中W微粒的質量濃度、電流密度、鍍液溫度和攪拌強度等工藝參數對Cu-W復合鍍層中 W微粒的質量分數的影響。王道剛等［21］制備的Cu-W復合鍍層的顯微硬度更高、接觸電阻更低且電接觸壽命更長。這是因為W微粒的嵌入發揮出疊加效果，賦予復合鍍層優良的性能。

文獻［22-23］也分別報道了基于共沉積原理制備出Cu-Al復合鍍層和Cu-In復合鍍層，且它們的性能均較純銅鍍層的有所改善。

3 結語

鑒于銅基復合鍍層不僅具備鍍銅層的優勢性能，而且表現出較為良好的機械性能，因而受到關注。隨著對銅基復合鍍層的制備工藝及性能表征的研究越來越多，頗具價值的研究成果也將陸續公開展示。

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［1］郭鶴桐，張三元.復合電鍍技術［M］.北京：化學工業出版社，2007.

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［7］王玉林，趙乃勤，董剛，等.Al2O3顆粒粒徑和含量對α-Al2O3/Cu復合鍍層性能的影響［J］.復合材料學報，1998，15（1）：79-82.

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［23］裴有福，龔桂義，齊毓霖.刷鍍滲入Sn鍍層和Cu＋In復合鍍層耐磨性的研究［J］.固體潤滑，1991，11（1）：9-20.

Research Progress in Preparing Copper Based Composite Coatings by Electrodeposition

YAO Jian-guo， NⅠNG Xin， SU Jian-xiu
（Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，China）

Electrodeposition，having superiorities of low process cost，simple process flow and excellent process flexibility simultaneously，is a suitable technological method for preparing single-element or multiple-element metal based composite coatings.With selection of preparation process，parameter optimization，property characterization，etc.as a starting point，the electrodeposition of coppernonmetallic compound composite coating and copper-metal particle composite coating are overviewed respectively.

copper based composite coating；electrodeposition；alumina；silicon carbide；silica

TQ 153

A

1000-4742（2014）03-0001-03

2013-11-15