超临界条件下温度和压力对电铸镍的影响

王星星, 雷卫宁

(1.江苏工业学院机械与能源工程学院,江苏常州 213016;2.江苏技术师范学院机械工程学院,江苏常州 213001）

超临界条件下温度和压力对电铸镍的影响

王星星1,2, 雷卫宁2

(1.江苏工业学院机械与能源工程学院,江苏常州 213016;2.江苏技术师范学院机械工程学院,江苏常州 213001）

在超临界条件下,温度和压力对微细电铸镍的实验比较研究,得出超临界二氧化碳微细电铸镍的最佳温度和压力分别是45℃和16 MPa,并获得超临界微细电铸新工艺。

超临界;温度;压力;电铸镍

0 前言

微电铸是相对于常规电铸工艺而确立的新概念,是针对微小结构(主要是微米/纳米尺度结构）的加工技术,既可以看作是在微细加工模具基础上的电铸成型技术,也可以认为是掩膜电镀在高深宽比方向发展的结果。

最近几年,提高金属和高分子材料表面特性的微细加工技术已经有所成就。Yoshida等[1]提出了在超临界CO2(SCF-CO2）条件下,运用电镀或者电铸的方法进行表面加工。

CO2流体价格便宜,无毒、无害、容易回收,在温度 Tc=31℃附近和相对压力 Pc=7.3 MPa的超临界条件下,可以作为超临界流体[4]。SCF-CO2具有和气体一样的扩散性、高溶解度、低黏度、高表面张力等优点,已经被许多领域所采用,如:纳米晶粒合成,表面膜制备[5-6]等领域。然而,将超临界流体技术用于微细加工方面的研究还很少,尤其是在国内几乎没有这方面的报道。本文主要研究在超临界条件下,温度和压力对电铸镍的实验比较,得出SCF-CO2微细电铸镍的最佳温度和压力。

1 SCF-CO2电铸原理

SCF-CO2电铸是在电流存在下金属沉积到金属表面上的过程。由于金属盐一般不溶于 SCFCO2,通过添加表面活性剂,与电解液和 CO2构成了SCF-CO2三元体系,所以形成导电乳化液是电铸反应的关键。实验装置,如图1所示[3]。

图1 超临界CO2电铸实验装置示意图

实验装置中,高压泵和温控表提供SCF-CO2所需的压力和温度;磁力搅拌器提供形成超临界乳化液所需的外部条件。在电铸单元中,可根据需要,在电铸结束后,通过回收装置回收CO2,实现循环使用。

2 工作压力和温度的影响与分析

2.1 工作压力

在 Kim等[2]进行超临界电沉积镍的基础上通过实验,我们研究发现:乳化液的电阻与压力密切相关,图2为压力对乳化液电阻的影响。由图2可知:在温度为45℃,p H值为4.5的条件下,工作压力从8 MPa升高到14 MPa时,体系电阻从46Ω降低到25Ω;工作作压力从14 MPa升高到16 MPa时,体系电阻从25Ω降低到23Ω;但是,当压力升到18 MPa时,电阻反而上升到25Ω。所以我们可以认为:整个过程中,最佳压力值为16 MPa,此时,电阻最小,为23Ω。

图2 压力对乳化液电阻率的影响

图3 温度对乳化液电阻的影响

电阻与压力的关系可以通过超临界CO2中的溶解度来介绍,溶解度与电阻密切相关。溶解度 X与温度 T和压力 P的关系可用式(1）表示[2]:

式中:P＊表示饱和蒸汽压。计算表明:当压力接近临界压力7.3 MPa时,溶解度快速增大;当压力从7.4 MPa增加到16 MPa时,溶解度缓慢增加;当压力超过16 MPa时,溶解度稍微下降。由此可见:在超临界条件下,溶解度随压力的变化趋势与电阻随压力的变化趋势是相反的。

2.2 工作温度

经过实验研究,我们发现:超临界CO2的溶解度与温度也密切相关,而溶解度与乳化液的电阻有必然联系,所以,乳化液的电阻与温度必然密切相关。图3为温度对乳化液电阻的影响。

由图3可知:在压力为16 MPa,p H值为4.5的条件下,温度为临界温度31℃时,镍电解液、SCFCO2、表面活性剂所形成的乳化液的电阻为32Ω;当温度分别升高到35℃和40℃时,乳化液的电阻分别降低至29Ω和24Ω;当温度升高到45℃时,乳化液的电阻降低到23Ω;但是,当温度升到50℃时,电阻升高到25Ω;之后再升高温度,电阻继续升高。这可能是由于在保持压力恒定不变的情况下,升高温度会使CO2流体密度减小,导致其流体密度与电解液密度的相差增大,从而造成乳化液不稳定。此外,当压力低于13 MPa时,随着温度的升高,溶解度也在增大;但是当压力大于13 MPa时,溶解度随着温度升高反而减小。也就是说,在超临界乳化液中,高于临界压力的条件下,温度与溶解度关系更加明显。实验结果表明:体系的最佳温度为45℃,此时镍电解液、SCF-CO2和表面活性剂所形成的乳化液的电阻最小,分散状态最好。

3 结论

综上所述,我们可以得出:在超临界CO2乳化液中,电铸镍的最佳温度和最佳压力分别是45℃和16 MPa。

[1] Yoshida H,Sone M,Mizushima A,et al.Application of emulsion of dense carbon dioxide in electroplating solution with nonionic surfactants for nickel electroplating[J].Surface and Coatings Technology,2003,173(2）:285-292.

[2] Kim J R,Kim H K,Kyong J B.Solubilities of naphthalene in supercritical fluids[J].Korean Chem Soc,1988,32:311-316.

[3] 雷卫宁.超临界流体微细电铸成型工艺及其装置:中国,101 092 716[P].2007-12-26.

[4] 韩布兴.超临界流体科学与技术[M].北京:中国石化出版社,2005:186-193.

[5] 屠振密,李宁,胡会利,等.电沉积纳米晶材料技术[M].北京:国防工业出版社,2008:8-19.

[6] 杨建明,朱荻,雷卫宁.电沉积法制备纳米晶材料的研究进展[J].材料保护,2003,36(4）:1-4.

Influence of Temperature and Pressure on Electroformed Nickel under Supercritical Conditions

WANG Xing-xing1,2, LEI Wei-ning2
(1.College of Mechanical and Energy Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou 213016,China;2.College of Mechanical Engineering,Jiangsu Teachers University of Technology,Changzhou 213001,China）

An experimental comparison study of temperatures and pressures on fine electroformed nickel was conducted was investigated under supercritical conditions.The results show that the optimal temperature and pressure for supercritical carbon dioxide micro-electroforming nickel are 45℃and 16 MPa respectively.On this basis,a new process for supercritical micro-electroforming is obtained.

supercritical;temperature;pressure;electroformed nickel

TQ 153

A

1000-4742(2010）02-0014-03

国家自然科学基金项目(50875116）;江苏省自然科学基金项目(BK2006043）

2009-11-09

·电 镀·