超声流动镀铜法制备铜包石墨粉

超声流动镀铜法制备铜包石墨粉

 摘要:通过超声流动电镀法使铜均匀沉积在微米级鳞片石墨上,从而制得铜包石墨粉.研究了镀铜过程中工艺条件对镀铜效果及铜包石墨粉中铜质量分数的影响.结果表明,利用该工艺可以制备出铜质量分数为50%~75%、且铜镀层致密、连续的复合粉体.用该复合粉体制备了铜-石墨电刷,其导电和磨损性能明显优于石墨粉与铜粉直接混合制备的电刷.
    关键词:铜包石墨粉;电镀;超声波;流动镀;电刷
    中图分类号:O646 文献标识码:A
    文章编号:1674-2974(2011)02-0060-05
    铜-石墨复合材料广泛运用于电机电刷材料、电触头材料、润滑减磨材料等.常用的制备铜-石墨复合材料的工艺主要有粉末冶金法和浸渍金属法.但2种工艺制备的复合材料其质量不稳定,材料在承受载荷时,容易造成石墨增强体的拔出、剥离或脱落.研究表明,在石墨粉表面预先镀铜,制得铜包石墨粉,然后利用粉末冶金技术可以获得性能优良的复合材料.
    目前,制备铜包石墨粉的方法主要有化学镀铜法、电镀铜法.与化学镀铜工艺相比,电镀具有沉积速度快、镀液稳定性好、成本低廉等优势.但是利用传统电镀工艺制备铜包石墨粉还存在几个技术难点尚未解决,如石墨粉团聚、阴极表面结块、电流效率低等问题.
    为解决上述问题,本文研究了一种制备金属石墨复合粉体的超声流动电镀装置及工艺,国内外未见相关文献报道.
    1 实验
    1.1 超声流动电镀装置
传统的电镀装置及工艺存在很多缺陷和不足,因此制备的铜包石墨粉的镀层不连续,且漏镀现象严重.通过分析各种特种电镀技术原理和方法,自行设计了超声流动电镀装置,其示意图如图1所示.
为了研究次亚磷酸钠在镀液中的作用机理,采用动电势法测定了加入不同次亚磷酸钠的镀液在石墨电极表面的阴极极化曲线,如图3所示.测定极化曲线的基础溶液组成及操作条件为:CuSO425g/dm3,CH3COOH10cm3/dm3,98%H2SO410cm3/dm3,十二烷基苯磺酸钠100mg/dm3,工作电极为石墨电极,参比和辅助电极都为铜电极,镀液温度60℃.

    由图3可以看出,次亚磷酸钠的质量浓度变化对石墨表面电沉积铜的阴极极化曲线影响开始很大,但随着次亚磷酸钠的质量浓度不断增大,它对阴极极化影响越来越小.为了更清楚地说明次亚磷酸钠质量浓度对析出电势的影响,由图3的曲线求出对应不同次亚磷酸钠质量浓度下镀液中铜的析出电势,作出铜的析出电势与次亚磷酸钠质量浓度关系如图4所示.
    从图4可以看出,在镀液中加入次亚磷酸钠可以降低铜在石墨表面的析出电势,且随着次亚磷酸钠质量浓度的升高,析出电势正移.当镀液中次亚磷酸钠的质量浓度提高到10g/dm3时,析出电势正移的幅度最大.此后随着质量浓度的升高,析出电势正移的幅度也逐渐变小.
    因此,在镀液中加入次亚磷酸钠能够起到去极化的作用,从而减少Cu2+在石墨表面的沉积阻力.从次亚磷酸钠的还原机理可知,由于铜镀层对铜离子的还原没有催化活性,次亚磷酸钠仅会使铜离子还原在石墨颗粒表面,以形成新的铜晶核,而不会使铜离子在铜镀层表面还原.这些在石墨表面不断形成的铜晶核更容易在电镀过程中促使铜在铜晶核上电沉积生长,直到使铜镀层变得致密.因此,次亚磷酸钠在电镀过程中能促使铜离子还原在石墨粉表面形成很多的金属铜晶核,为电镀铜在原晶核上快速生长提供有利条件,降低电沉积铜的析出阻力,进一步提高石墨颗粒的导电性,对石墨粉表面铜镀层的致密性起着非常重要的作用.

    2.3 超声波在电镀过程中的影响
    超声波的振动和产生的射流作用在阴极表面上,会使吸附在其表面上的石墨粉脱落,分散在镀液中;同时由于超声有很大的能量,其在溶液中传播时,产生强烈的冲击力,能够有效、快速地减少粒子的团聚,对粒子的团聚起到很好的控制作用.图5和图6所示是不同电流密度和温度下施加超声波后的石墨粉表面镀铜的电流效率.从图中可以看出,通过在电镀过程中施加超声波后,电流效率提高了近30%.

    由于超声波的空化作用,在液体与固体界面处产生了高速的微射流和冲击波,通过超声空化射流形成了对溶液的强烈搅拌作用,强化了电解液的宏观流动,减小了电极表面的扩散层厚度,强化了Cu2+向电极表面的传递,从而提高了Cu2+在石墨表面沉积过程的电流效率.

    2.4 镀液流速的影响
    石墨粉在镀液中的均匀分散以及向阴极表面的输送,都会受镀液运动的影响.在其他镀铜工艺条件不变时,仅改变镀液流速,制得的铜包石墨粉中铜质量分数如图7所示.适当的镀液流动可以降低电镀液的浓差极化,加速传质扩散过程,提高电流密度,有利于提高石墨粉表面的成核率,使镀层结晶的晶粒细化、致密化.从图7可知,12dm3/min流速下,可以获得铜质量分数最高的铜包石墨粉,随后铜质量分数逐渐降低.

    镀液流速的加快,提高了石墨粉和阴极之间的碰撞频率,增加了石墨粉在阴极表面的有效浓度,有利于铜在石墨表面的均匀、快速沉积.但是,流速过快,石墨粉随镀液一起运动的速度也很快,导致铜在石墨表面的有效沉积时间大大缩短,从而降低了复合粉体的铜质量分数.因此,镀液在镀槽中的循环流动,对石墨粉镀铜过程产生双重作用,而这两方面的主导作用将决定流速对复合粉体铜质量分数的影响.
    2.5 铜包石墨粉制作的电刷性能
    图8和图9为最佳工艺条件下制备的铜包石墨复合粉体的SEM照片和EDX能谱图.由图8可见,石墨粉表面完全被铜镀层所覆盖,没有漏镀点.由图9可知,整个镀铜层均为结晶铜,不含其他杂质元素,因此对复合粉体的导电性能没有影响.

    分别以铜包石墨粉和铜粉+石墨粉为原料,制备了铜-石墨电刷.在铜质量分数均为60%的情况下,铜包石墨电刷的电阻率仅为0.12mW·m,磨损质量分数为0.2%(35h);而铜-石墨机械混合制备的电刷其电阻率高达0.45mW·m,磨损质量分数为0.4%(35h).这是因为在铜包石墨复合材料中,石墨被包裹在铜层之中,不宜脱落,能充分发挥其减摩润滑功能,因此磨损量相应地减少,且铜相形成了三维网状结构,使电流拥有良好的通道,从而拥有良好的导电性能;而铜-石墨机械混合烧结的复合材料中石墨与铜浸润性差,其结合属于机械啮合,在滑动时易脱落,削弱了石墨的润滑功能,因此磨损量较大,且许多铜粒子被孤立,降低其导电性能.因此铜包石墨复合电刷拥有更低的电阻率和更好的耐磨损性能.
    3 结论
    1)次亚磷酸钠加入到电镀液中,能够减小电沉积的极化阻力,提高石墨表面的成核密度.运用超声流动电镀法可以制备镀层致密、色泽光亮、分散性好的铜包石墨粉.
    2)20kHz超声波能使石墨颗粒均匀地分散在镀液中,有效防止了铜包石墨粉与铜在阴极表面共沉积所引起的结块现象,同时超声空化射流形成了对溶液的强烈搅拌作用,降低浓差极化,加快了镀铜速率,提高了电流效率.
    3)用铜包石墨粉制备的电刷产品,其电阻率低、耐磨性能好.


    在电镀过程中利用磁力泵和流量计使镀液以一定的流速在阴极表面循环流动,改善石墨粉向阴极的输送过程,延长石墨粉接触阴极的时间,有利于提高铜在石墨表面的沉积量;启动超声装置对镀液进行强烈搅拌,以减小电镀液中成分不均匀现象,提高电流效率,同时控制镀液中粉体的团聚,使吸附在阴极表面上的粉体脱落,防止在阴极表面形成粉体-铜复合镀层.
    1.2 铜包石墨粉的制备工艺
    1)石墨粉前处理:实验用的石墨粉为上海国药集团化学试剂有限公司出品的天然鳞片石墨,密度为1.0g/dm3,平均粒径为35mm.因其比表面积大,表面凸凹不平等特点,缺乏易于使金属原子结合和成核生长的条件,因此在加入到镀液前必须进行严格的镀前预处理,否则易造成镀层不均匀、结合力差,甚至难于施镀的后果.表1列出了前处理工艺与操作.
    2)电镀液的组成及施镀工艺:电镀液的组成和操作工艺经实验后确定为如下范围:CuSO425g/dm3,CH3COOH10cm3/dm3,98%H2SO410cm3/dm3,次亚磷酸钠0~20g/dm3,十二烷基苯磺酸钠10~200mg/dm3,石墨粉15g/dm3,阴极电流密度30A/dm2,超声频率20kHz,镀液温度60℃,镀液流速6~18dm3/min.

    3)铜包石墨粉的后处理:电镀结束后,将产品加入钝化液中,在50℃水浴中钝化5min.用蒸馏水冲洗至中性,然后用5%的Na2EDTA稀释液浸泡15min,洗净镀层中微小间隙所含的镀液.为了防止复合粉体在烘干时氧化变色,采用乙醇浸泡粉末,清洗分离后,在常温下阴干,最后包装.
    1.3 铜包石墨粉的性能检测方法
    1.3.1 铜含量测定方法
    将坩锅加热到900℃保温lh,然后进行恒重检查,直到两次误差小于0.001g,质量为m.然后将一定量的镀铜石墨粉放入坩锅,质量为m1.在氧化气氛下加热到900℃,保温2.5h后取出.在空气中冷却15min,放入干燥器中,冷却至室温后称量,其值为m2.由此可以得出产品中的铜质量分数为:w=0.8(m2-m/m1-m)×100%.(1)
    1.3.2 铜包石墨粉的形貌与成分分析
    利用JSM-6490扫描电镜对铜包石墨粉进行表面微观形貌观察,利用附带能谱仪(EDX)进行元素分析,观测镀层的漏镀率和分布.
    2 结果和讨论
    2.1 表面活性剂的影响
    在电镀液中分别添加了3种不同的表面活性剂,见表2.
    从表2可看出,使用十二烷基苯磺酸钠活化处理的石墨粉镀覆效果最好.
    在镀液中分别加入十二烷基苯磺酸钠10mg/dm3,50mg/dm3,100mg/dm3,200mg/dm3,研究了十二烷基苯磺酸钠质量浓度对石墨粉镀铜效果的影响,结果见表3.

    由表3可见,表面活性剂十二烷基苯磺酸钠的质量浓度应控制在100mg/dm3,石墨粉才具有被铜良好镀覆的性能.
    2.2 次亚磷酸钠的影响
    次亚磷酸钠的加入能改善复合粉体表面的覆盖程度.在1.2第2)部分所述的镀液中研究不同次亚磷酸钠质量浓度对石墨表面铜镀层的影响,如图2所示.

    从图2中可以看出,在电镀液中添加次亚磷酸钠后,石墨粉表面铜镀层的形貌明显变好,并随着浓度的提高,石墨表面的铜镀层更加致密.但次亚磷酸钠质量浓度超过10g/dm3时,镀层完整度和均匀性都有所下降,而且镀液中出现许多非镀覆铜粒子,造成主盐的消耗.这是由于过大的还原剂浓度使反应速率加快,降低了镀液的稳定性,铜离子还原时未能沉积在石墨粉表面,造成镀覆状况不佳.故次亚磷酸钠浓度应控制在10g/dm3.