化學工藝鍍層在非金屬表面的應用

王煒芹，霍永鋒，藺 海

（航天科工六院210所，陜西西安 710065）

1 化學工藝鍍層技術概述

1.1 化學工藝鍍層技術發展歷程

化學工藝鍍層技術的實現主要是利用溶液中的還原劑讓金屬離子在表面發生自催化作用，從而出現金屬還原沉積，這個過程又稱之為自催化鍍層或者無電解鍍層。化學工藝鍍層技術的基本原理是將離子轉移到物外電場作用的氧化還原反應，使金屬離子還原并且沉積，從而構成精密的金屬鍍層。

化學工藝鍍層技術在歷年來的發展中，主要以化學鍍鎳形式為主。這種技術理念猜想最早起源于19世紀40年代，通過大量科學家的理論與實踐驗證，但是并未取得良好的效果，隨著人們在化學工藝領域的不斷突破，終于在20世紀40年代初期實驗成功，使化學工藝鍍鎳技術全面登上歷史的發展舞臺。在科學家的多次實驗與研究中，也開發了能夠利用的化學鍍鎳液體，為人類工業發展做出了巨大貢獻。到了20世紀50年代，世界上第一條化學鍍鎳生產線誕生，主要是以次磷酸亞為化學鍍鎳的還原劑來實現的。在美國的化學工藝鍍層技術發展中，最早出現在通用運輸企業的批量生產線上，并開始于核工廠的車槽內襯以及貯槽領域應用，隨后化學工藝鍍層技術在化工領域和航天領域都有著廣泛的應用。在1980年以后，開始實現了化學工藝鍍層技術的大規模應用。

據調查顯示，20世紀80年代，全球化學鍍鎳年產量超過了1 500t，可以實現375萬m2的化學工藝鍍層面積。隨后，到了20世紀90年代末期，美國還開辦了化學鍍鎳研討專題會議，其中重點以質量控制與統計過程控制為研究主題。在歐洲領域中，化學工藝鍍層技術最早出現在工程制造領域，比如德國化學鍍鎳-硼技術的應用，在德國的汽車制造、航空航天制造以及紡織業中都有著良好的應用效果。而我國的化學工藝鍍層技術發展相對這些發達國家較晚一些，但是在我國經濟飛速發展的支持下，也實現了化學工藝鍍層技術跳躍式提升。在我國相關政策的推動下，開辦了多次大型國際專題會議，同時國內相關專家學者也查閱了大量資料，在該領域發表了許多著作和相關論述，進一步推動了我國化學工藝鍍層技術的發展水平。據調查，我國現階段的鍍鎳行業年產值超過300億元，同時也逐漸以每年15%的速度高速增長。而隨著化學工藝鍍層技術的不斷成熟，也逐漸取代了電鍍工藝，滿足可持續發展目標，體現出環保鍍層理念。

1.2 化學工藝鍍層技術的分類

化學工藝鍍層技術在應用中可以根據不同用途分為以下幾類：①裝飾性化學鍍層。這種化學鍍層主要包括Cu、Pt、Au、Ag幾種材料，將其利用化學方法鍍在裝飾品表面；②防護性鍍層。這種化學鍍層主要包括Cd-Sn、Ni-P、Cd、Ni等材料，在物體表面鍍層可以有效提高表層的防腐性和耐磨性；③修復性鍍層。這種化學鍍層主要包括Fe和Ni等材料，將這種鍍層材料應用在受損的部位表面，可以起到鍍層修復效果；④功能性鍍層。這種化學鍍層主要是利用Ni-碳纖維以及Ni-石墨烯等新型材料作為復合化學鍍層，展現出不同的功能特性。

從化學工藝鍍層的材料成分來看，又可以分為以下幾種：①單金屬鍍層。單金屬鍍層中的材料成分主要包括Cu、Pt、Au、Ag等；②合金鍍層。合金鍍層的材料成分有Ni-Cu-P、Ni-P、Fe-Zn、Ni-B等；③復合鍍層。復合鍍層材料成分主要是將固體微粒融入鍍液中，與合金或金屬共同沉積，構成多元化的組合鍍層，例如 Ni-P-PTFE、Ni-P-MoS2·Al2O3、Ni-P-SiC等復合鍍層。在鍍液中添加各類型的顆粒，能夠呈現出不同的鍍層特性，比如耐高溫、潤滑性以及耐腐蝕性等特性，滿足不同化學工藝鍍層需求，充分展現出復合鍍層的優勢。

2 非金屬表面中化學工藝鍍層技術應用

對于非金屬材料來說，其具有不導電特性，因此，傳統的電鍍工藝和電刷鍍工藝都不能直接進行鍍層。通過化學工藝鍍層技術的應用，可以對非金屬表面進行改性，讓非金屬材料產生導電性與可焊性。當前常見的非金屬材料包括陶瓷、光纖以及金剛石等，而隨著化學工藝鍍層的不斷完善，在一些碳纖維、納米管和石墨烯等非金屬材料中也實現了良好的鍍層效果。通過鍍鎳石墨烯以及細胞碳纖維等復合材料的應用，可以有效改善新型納米材料的分散特性，同時使其本身特有的性質能夠有效保留，并且也能夠展現出鍍覆金屬以及基材的多性能特點。

2.1 金剛石非金屬材料表面的化學工藝鍍層

對于金剛石材料來說，它是鍍層工藝中的典型非金屬材料，金剛石廣泛存在于自然界中，迄今為止是世界上最堅硬的天然物質，同時金剛石也展現出良好的穩定性特點和耐磨性質。一般金剛石材料主要應用于工業切割領域和裝飾行業。根據金剛石不同的晶體結構可以分為單晶金剛石和多晶金剛石，而大部分單晶金剛石都應用在工業切割領域，而多晶體金剛石一般運用研磨制造領域。在金剛石的表面可以通過化學工藝鍍層技術方式進行鍍層。現階段，我國化學工藝鍍層技術在金剛石表面的鍍層已經較為成熟，并逐漸實現了廣泛生產與應用。

相關學者對金剛石切割片內的樹脂結合劑和磨粒的黏結度進行了全面優化，從而生產刺狀金屬涂層的金剛石粉末，同時對金剛石化學鍍進行預處理作用，在預處理工作中將金剛石粉末與鉻酸溶液混合浸泡，通過親水處理長達11h，再進行激活。通過實驗發現，沒有做親水處理的部分會出現鍍層遺漏的現象，而親水處理后的金剛石表面鍍層完整，通過對金剛石材料的親水處理優化，能夠改變凹凸不平的表面鍍層缺陷。

為了有效解決電子元器件封裝在銅材料與金剛石材料結構強度上的差距問題。可以利用化學工藝鍍層對金剛石表面的顆粒采取金屬化處理，同時混入適量的銅粉末，并利用熱壓燒結以及放電等離子燒結兩種方式制備出精密的金剛石復合材料，通過優化實驗可以看出，化學工藝鍍層技術能夠有效提高金剛石和銅復合材料的結構強度，同時導熱性系數提高。當處于900℃左右的溫度下以及40MPa的高強度壓力環境中，金剛石和銅的復合材料鍍層增加了彎曲強度，線膨脹系數也大幅度提升。

2.2 石墨烯材料化學工藝鍍層技術

在新興材料的發展中，引入了石墨烯材料，更好地發揮出光學、電學以及熱學性質，并展現出了超高的強度和韌性，同時也具備一定的可塑性。石墨烯材料被廣泛應用在鋰電池、防腐涂層、導電油墨、散熱材料中，在現代工業領域發揮著重要的價值。在開展石墨烯化學工藝鍍層時，首先將石墨烯表面進行金屬化處理，從而形成金屬與石墨烯的復合材料，讓石墨烯具備導電性能，然后再利用化學工藝鍍層技術進行鍍層作業，該技術在電化學領域得到了全面推廣與應用。

經過專家學者的大量研究，通過次磷酸鈉進行化學鍍銅，能夠實現石墨烯表面的金屬化改性，利用硫酸銅、硼酸、次磷酸鈉、硫酸鎳、檸檬酸等混合鍍液，Cu沉積層能夠對石墨烯進行包裹。通過提高硫酸銅和硫酸鎳等緩沖劑的濃度，可以提升石墨烯表面Cu的沉積效率。鍍液中配位劑檸檬酸鈉濃度會提高，導致Cu的沉積速度下降，但是能夠改變表面的沉積質量。

利用膨脹還原制作石墨烯，通過超聲輔助化學工藝鍍層，支撐石墨烯Ni納米復合材料，對石墨烯材料表面的鍍鎳進行激勵研究，其鍍液中包括檸檬酸氫二鈉等材料，而反應溫度為25℃。通過實驗結果可知，在石墨烯敏化時和成長階段都在石墨烯表面進行，但是隨著時間的不斷推移，Sn納米顆粒分布也逐漸均勻，可以呈現出Sn成核與生長，活性位點的性能逐漸降低，大部分都集中在邊緣部位，導致部分Sn顆粒并未生成Pd元素，Sn則在化學工藝鍍層中失去催化活性，從而殘留在鍍層內。

2.3 碳纖維材料表面化學工藝鍍層

碳纖維作為一種全新的有機纖維材料，通過處理形成的微晶體材料，碳纖維不但繼承了原本碳元素自身的優點，同時還具備纖維元素的可加工特性，成了廣泛應用的增強型材料。這種增強材料可以展現出良好的強度、耐輻射性、耐高溫性、低密度、比模量、導熱性、導電性等特點。

通過化學工藝鍍層技術在碳纖維表面的應用研究，提出了化學鍍鎳的應用提升碳纖維的表面性能。通過實驗可以看出，碳纖維通過化學模擬處理后，有效提高了碳纖維表面的延展性與抗形變能力，其中碳纖維內部含磷成分表面出現典型的非晶體結構，因此具備良好的電阻系數。

2.4 光纖材料表面的化學工藝鍍層

近年來，光纖材料的引入為我國通信行業帶來了全新的機遇，光纖材料在通信傳輸與傳感領域發揮著重要作用，憑借光纖的抗干擾性能、高效傳輸性能，在通信領域備受青睞。光纖本體材料主要由SiO2構成，這種材料具有一定的脆性和易損性，通過適當的保護措施，才能滿足良好的光纖應用效果。當前對于光纖的保護方法多種多樣，最主要的就是將金屬鍍層利用化學工藝鍍層技術應用在光纖表面，通過光纖表面金屬化改性，可以提高光纖的使用壽命，增強信號傳導功能，同時也提高了光纖材料的金屬特性與力學特性。

通過對光纖表面化學工藝鍍層工藝的不斷優化，明確鍍層溫度為92℃，同時酸堿度為3.2，在進行敏化液過濾過程中，要采用超聲清洗。通過對光纖表面化學工藝鍍層時，可以使光纖表面更加光滑與連續，并且擺脫了脫落與開裂的現象，比未進行鍍層的光纖在抗拉強度上具有明顯提高。將石英光纖光柵作為基體材料，通過化學工藝鍍層和電鍍工藝的有效融合，能夠改變光纖表面特性，采用均勻致密的鍍層打底，并利用電鍍銅技術在上層覆蓋，生成附著能力強、電阻率低、焊接性能佳的金屬化光纖材料，可以展現出良好的光纖光柵靈敏度。

3 結束語

隨著我國新型材料的不斷涌入，推動了我國工業產業的全面發展，對新型材料的性能也提出了更高的要求。對于以往的單獨金屬與非金屬材料應用已經無法滿足現代工業需求。隨著復合型的非金屬材料引入，解決了單一材料的困境，推動了我國各個領域的發展。通過化學工藝鍍層技術的全面發展，在非金屬表面鍍層上也展現出了良好的作用，解決了傳統電鍍無法在非金屬材料上鍍層的問題，提高了非金屬材料的各項性能，滿足現代工業發展需求。