[發(fā)明專利]電解液真空沸騰式高速電沉積方法及裝置

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010198012.1
• 申請(qǐng)日: 2010-06-11
• 公開（公告）號(hào): CN101871108A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 明平美;姜無疾;鄭建新;李英杰;呂印定;王艷麗;李松昭
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C25D5/00
• 分類號(hào): C25D5/00;C25D19/00;C25D21/12
• 代理公司: 鄭州聯(lián)科專利事務(wù)所(普通合伙) 41104
• 代理人: 王聚才

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于電化學(xué)加工領(lǐng)域，具體涉及一種電解液真空沸騰式高速電沉積方法及裝置。

背景技術(shù)

利用電場(chǎng)作用下發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)金屬原子“堆砌式”成膜或結(jié)構(gòu)成形的電化學(xué)沉積技術(shù)，因具有適用材料廣、工藝可控性好、工藝溫度低、設(shè)備投入少等優(yōu)點(diǎn)，而在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。常用的電沉積技術(shù)有：電鍍、電鑄、電刷鍍等。

目前，沉積缺陷多、沉積速度慢是電沉積領(lǐng)域面臨的兩大主要技術(shù)難題。典型的電沉積缺陷有：針孔、積瘤、麻點(diǎn)、有害氧化物、氫脆等。這些缺陷嚴(yán)重影響了鍍層或電鑄件的物理化學(xué)性能和形貌質(zhì)量。針孔缺陷產(chǎn)生的原因主要是由于電沉積過程中產(chǎn)生的氣體多且積聚后形成的氣泡未能及時(shí)高效地排離電沉積區(qū)域?qū)е隆７e瘤與麻點(diǎn)缺陷產(chǎn)生的主要原因之一是沉積基底或電解液中有不溶性污物(如固體顆粒、粘性物質(zhì)等)。有害氧化物的形成與沉積空間的氧或氧氣存在密切相關(guān)。氫脆現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是電沉積過程中形成的大量氫原子滲入到沉積金屬或基底中。歸納起來，氣體(主要為氫氣和氧氣)、氣泡、雜質(zhì)是沉積缺陷形成的三大物質(zhì)基礎(chǔ)。因此，減少氣體的產(chǎn)生、快速排除氣泡及凈化沉積環(huán)境是目前解決沉積缺陷難題的主要方法。

理論上，電沉積速度大小主要取決于特定條件下所施加的電流密度的大小。但是實(shí)踐中，電沉積過程常常受制于傳質(zhì)速度，而液相傳質(zhì)速度是影響電沉積快慢的決定性因素。目前，電沉積速度普遍不高的根本原因是：擴(kuò)散層較厚，從而導(dǎo)致了物質(zhì)的輸運(yùn)與交換速度低于電化學(xué)反應(yīng)速度。因此，提高沉積速度的關(guān)鍵就是強(qiáng)化傳質(zhì)。

圍繞沉積缺陷問題，國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索與研究，提出了大量具有較強(qiáng)工程應(yīng)用效果的解決方案。概括而言，主要是從以下三個(gè)方面進(jìn)行：(1)加入添加劑，如潤(rùn)濕劑、整平劑、光亮劑等，以抑制氣體的產(chǎn)生、促進(jìn)氣泡的脫附或改善電結(jié)晶過程；(2)強(qiáng)化傳質(zhì)，如高速?zèng)_液攪拌、超聲攪拌、陰陽極振動(dòng)攪拌等，以優(yōu)化沉積環(huán)境和加速氣體/氣泡排出；(3)精細(xì)過濾，以及時(shí)濾除電解液中的大部分不溶性雜質(zhì)。此外，還開發(fā)出了一些特殊的沉積方法，如輔助壓力電沉積、硬質(zhì)粒子摩擦陰極面電沉積、摩擦噴射電沉積等。但是這些措施和方法，仍存在效果單一、操作繁瑣、易使鍍層引入有機(jī)雜質(zhì)或適用場(chǎng)合有限等缺點(diǎn)。沉積缺陷依然是本技術(shù)領(lǐng)域亟待解決的棘手問題。在增強(qiáng)傳質(zhì)、減薄擴(kuò)散層的基礎(chǔ)上，以大電流密度實(shí)現(xiàn)高沉積速度，是目前開發(fā)各種高速沉積方法(如噴射沉積、摩擦沉積等)的主要思路。但是，這些高速沉積方法也因存在沉積缺陷嚴(yán)重、晶粒粗大形貌粗糙等不足，而難以滿足應(yīng)用需求，尤其是微細(xì)電鑄方面的要求。

中國(guó)專利(專利號(hào)為CN91108101.1)真空排除氣泡法的電鑄方法及其裝置，文中提到將沉積工藝置于交變真空環(huán)境中實(shí)施可以快速排除氣泡與氣體。韓國(guó)的Seung-Eun?Nam等人(Astudy?on?the?palladium/nickel?composite?membrane?by?vacuum?electrodeposition.Journal?ofMembrane?Science，2000，170(1)：91～99.)、中國(guó)的明平美等人(輔助交變低氣壓-溫度梯度微細(xì)電鑄技術(shù)，兵工學(xué)報(bào)，2008，29(6)：746～751.)提出把沉積工藝置于交變真空或恒真空環(huán)境中(0.05MPa左右)實(shí)施，可以快速排除氣泡/氣體，減少針孔缺陷，防止有害氧化物的生成，并獲得了不錯(cuò)的效果。但是，上述真空電沉積工藝仍需加入添加劑，且沉積速度偏低，針孔、有機(jī)物夾雜等缺陷仍然存在。這是因?yàn)椋@種真空電鑄或電鍍方法主要立足于氣體和氣泡的高效排除方面，屬于常規(guī)電沉積工藝基礎(chǔ)的局部完善，而導(dǎo)致多種沉積缺陷形成的環(huán)境條件及液相傳質(zhì)受限問題沒有得到根本解決，擴(kuò)散層較厚、沉積速度慢、添加劑分解等問題依然存在。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種沉積速度快、缺陷少、應(yīng)用性廣的真空沸騰式高速電化學(xué)沉積方法。

本發(fā)明另一目的在于提供了實(shí)施該真空沸騰式高速電化學(xué)沉積方法的裝置。

一種電解液真空沸騰式高速電沉積方法，包括如下步驟：

a.將陽極和陰極固定于電沉積槽中，向電沉積槽中加入適量不含添加劑的電解液，然后將電沉積槽密封，開啟電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)和電解液狀態(tài)觀測(cè)系統(tǒng)，啟動(dòng)電解液溫控系統(tǒng)和陰極面溫控系統(tǒng)并分別控制槽內(nèi)電解液體液溫度為25～40℃，陰極表面溫度為55～70℃；即陰極表面與槽內(nèi)電解液體液之間形成30～40℃的溫度差；

b.啟動(dòng)電沉積槽真空度控制系統(tǒng)，對(duì)電沉積槽進(jìn)行抽氣，并調(diào)節(jié)槽內(nèi)真空度，使貼近陰極面的電解液出現(xiàn)劇烈沸騰或準(zhǔn)沸騰現(xiàn)象，而槽內(nèi)其它部分電解液無沸騰現(xiàn)象；