電沉積Cu-SiC 復(fù)合鍍層的研究

李家明， 徐淑慶， 梁銘忠

（1.欽州學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，廣西 欽州535000；2.欽州學(xué)院 海洋學(xué)院，廣西 欽州535000；3.欽州學(xué)院 資源與環(huán)境學(xué)院，廣西 欽州535000）

0 前言

復(fù)合電鍍是基于電化學(xué)沉積原理，實(shí)現(xiàn)金屬離子與不溶性固體微粒共沉積的工藝過程。作為電鍍領(lǐng)域的新分支，復(fù)合電鍍逐漸成為研究熱點(diǎn)［1-3］。本文以電沉積Cu-SiC 復(fù)合鍍層為主題，并以沉積速率、復(fù)合鍍層的表面粗糙度和微觀形貌為考察指標(biāo)，開展實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與條件

電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層在自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置中進(jìn)行。陽極采用磷銅板，陰極采用不銹鋼板。鍍液組成及工藝條件為：CuSO4·5H2O 200g／L，H2SO460g／L，Cl—80 mg／L，整平劑0.05～0.30 g／L，電流密度0.02～0.22A／cm2，溫度30℃。電沉積過程中，采用機(jī)械方式攪拌鍍液，攪拌速率控制在6r／s。

1.2 測試方法

（1）沉積速率

采用增重法計(jì)算沉積速率［4］，公式為：

式中：v為沉積速率，mg／（mm2·h）；Δm為增重，mg；S為復(fù)合鍍層的表面積，mm2；t為電鍍時(shí)間，h。

（2）表面粗糙度

采用Taylor Hobson 25型表面粗糙度儀測定復(fù)合鍍層的表面粗糙度，測定多次，取平均值。

（3）微觀形貌

借助KYKY 2800B 型掃描電子顯微鏡觀察復(fù)合鍍層的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積速率

對電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層而言，雖然電流密度與沉積速率之間并非存在確切的定量關(guān)系，但兩者仍可維持定性變化規(guī)律［5］。圖1和圖2分別為沉積速率與電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖1和圖2可知：增加電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度，沉積速率出現(xiàn)不同幅度的改變。結(jié)合電沉積機(jī)制不難對此做出解釋，電流密度增加，電極反應(yīng)過程及電結(jié)晶過程均加快，沉積速率自然提高。同樣，整平劑的質(zhì)量濃度增加，反應(yīng)離子在陰極表面的吸附速率加快，吸附量也增大，從而加速陰極還原反應(yīng)進(jìn)程，提高沉積速率。

圖1 沉積速率與電流密度的關(guān)系

圖2 沉積速率與整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.2 表面粗糙度

圖3和圖4分別為Cu-SiC 復(fù)合鍍層的表面粗糙度與電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系。由圖3和圖4可知：隨著電流密度的增加，復(fù)合鍍層的表面粗糙度先減小后增大；而隨著整平劑的質(zhì)量濃度的增加，復(fù)合鍍層的表面粗糙度先趨于穩(wěn)定后增大。原因在于，電流密度通過影響電化學(xué)極化過程及電結(jié)晶過程進(jìn)而改變復(fù)合鍍層的表面狀況。電流密度較低時(shí)，電極過程及電結(jié)晶過程進(jìn)展緩慢且較平穩(wěn)，有利于獲得良好的表面狀況，復(fù)合鍍層的表面粗糙度相對較低；電流密度較高時(shí)，較快的電極過程及電結(jié)晶過程引發(fā)某些不良反應(yīng)，粗化了復(fù)合鍍層的表面狀況，使表面粗糙度增大。整平劑的質(zhì)量濃度在合理范圍內(nèi)同樣對電化學(xué)極化過程和電結(jié)晶過程起促進(jìn)作用，自然也有利于降低復(fù)合鍍層的表面粗糙度。但當(dāng)其質(zhì)量濃度較高時(shí)，可能在電沉積過程中發(fā)生分解，造成復(fù)合鍍層中夾雜分解產(chǎn)物，進(jìn)而影響表面粗糙度。

圖3 表面粗糙度與電流密度的關(guān)系

圖4 表面粗糙度與整平劑的質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.3 微觀形貌

圖5和圖6分別為電流密度及整平劑的質(zhì)量濃度對Cu-SiC復(fù)合鍍層微觀形貌的影響。由圖5和圖6可知：電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層微觀形貌的影響均較為明顯。分析認(rèn)為，適當(dāng)增加電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度，均有助于促進(jìn)電結(jié)晶過程，間接發(fā)揮細(xì)化晶粒、致密組織結(jié)構(gòu)的作用。但超出特定范圍，可能破壞電極過程固有的平衡狀態(tài)，反而使復(fù)合鍍層的微觀組織變得疏松。

圖6 整平劑的質(zhì)量濃度對復(fù)合鍍層微觀形貌的影響

3 結(jié)論

以電沉積Cu-SiC復(fù)合鍍層為主題，開展實(shí)驗(yàn)研究。分別考察了電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度對沉積速率、Cu-SiC復(fù)合鍍層的表面粗糙度及微觀形貌的影響。得出結(jié)論：電流密度和整平劑的質(zhì)量濃度處于合理范圍內(nèi)，均有助于提高沉積速率并改善復(fù)合鍍層的表面狀況和形貌質(zhì)量；而偏低或偏高，所發(fā)揮的效果均不盡理想。

［1］馮秋元，李廷舉，金俊澤.復(fù)合電鍍機(jī)理研究及最新進(jìn)展［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36（3）：559-564.

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［3］孫偉，張覃軼，葉衛(wèi)平，等.納米復(fù)合電沉積技術(shù)及機(jī)理研究的現(xiàn)狀［J］.材料保護(hù)，2005，38（6）：41-44.

［4］司倩倩，陳厚和，張幺玄，等.網(wǎng)狀聚氨酯泡沫化學(xué)鍍鎳工藝的研究［J］.電鍍與環(huán)保，2014，34（1）：29-32.

［5］郭鶴桐，張三元.復(fù)合電鍍技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.