玻璃纤维表面化学镀钴-铁-磷合金

2013-06-14李茸周万城王思力

电镀与涂饰 2013年1期

李茸 *，周万城，王思力

（1.西安高科技研究所603 室，陕西西安 710025；2.西北工业大学凝固技术国家重点实验室，陕西西安 710072）

表面金属化的玻璃纤维具有兼容性好、质量轻等优点，可以用作电磁干扰屏蔽填充物以及纤维增强金属复合材料。玻璃纤维本身是一种性能优异的无机非金属材料，耐高温、耐腐蚀，化学稳定性好，作为增强性材料在未来吸波材料应用中具有发展潜力[1-2]。

玻璃纤维表面金属化的方法很多，由于化学镀法工艺设备简单、污染较低，以及可以在非导体基体上进行沉积，而得到人们重视。玻璃纤维表面金属化多以沉积镍基合金为主，如Ni-Fe-P[3]、Ni-Co-P[4]、Ni-P[5-6]；也有少量在玻璃纤维表面沉积Cu[7]的报道。近年来由于对镀层要求的多样化，改善其金属特性也越来越受到人们重视，由于金属钴与铁一样具有很高的磁性能，但其居里温度达到1 150 °C，因此金属钴及钴基多元合金作为磁性材料和电磁屏蔽材料的研究日渐受到人们的关注。关于玻璃纤维表面化学镀钴基合金的研究逐渐增多，如Co-P[8]、Cu-Co-P[9]、Ni-Co-P[10]等。时刻等人[11]曾在玻璃纤维表面化学镀Ni-Co-Fe-P合金，研究少量金属铁对镀层导电性能的影响。目前关于玻璃纤维表面化学镀金属Co 基Co-Fe-P 合金镀层的报道鲜有见到。本文介绍了一种在玻璃纤维基体上碱性高温化学镀Co-Fe-P 合金的工艺，并对所得Co-Fe-P 合金镀层的结合力、厚度、成分及吸波性能进行了的测试。

1 化学镀Co-Fe-P 合金工艺

1.1 工艺流程

除胶─除油─水洗─粗化─水洗─活化─解胶─还原─化学镀─水洗─晾干。

1.2 前处理

1.2.1 除胶

体积分数为30%的丙酮溶液，常温浸泡5～6 h。

1.2.2 除油

采用无水乙醇，在超声波下常温浸泡10 min。

1.2.3 粗化

50 g/L 的NH4F 溶液，在超声波下常温浸泡5 min。

1.2.4 活化

采用自制胶体钯活化液对玻纤维进行活化，25～30 °C 浸泡3 min

1.2.5 解胶

体积分数为10%的盐酸溶液，25～30 °C浸泡0.5 min。

1.2.6 还原

质量分数为3%的次磷酸钠溶液，常温浸泡0.5 min。

1.3 化学镀

CoCl2·6H2O 0.045 mol/L

FeSO4·7H2O 0.005 mol/L

NaH2PO2·H2O 0.2 mol/L

Na3C6H5O7·2H2O 0.2 mol/L

NH4Cl 0.5 mol/L

添加剂A 0.3 mg/L

θ85 °C

pH 10～11

装载量 15 g/L

镀覆完成的玻璃纤维在低温(40 °C)真空干燥6～8 h。

2 化学镀Co-Fe-P 合金镀层的性能

市售无碱玻璃纤维(直径23 μm 左右，长度90 mm左右)施镀60 min 后，对镀层性能进行测试。

2.1 镀层结合力

采用热震法[12]测定镀层结合力。将镀好的纤维加热至200 °C 后，在室温水中激冷，连续循环5 次，之后用放大镜观察镀层是否有起皮、裂纹及剥落的现象，以定性评价镀层的结合力。

测试结果说明，在玻璃纤维表面上所制Co-Fe-P合金镀层均匀完整，无开裂、起皮及脱落现象(见图1)，镀层的抗热冲击强度高，结合力良好。

图1 玻璃纤维上Co-Fe-P 合金化学镀层的表面形貌Figure 1 Surface morphology of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber

2.2 镀层厚度

采用JEM-5600LV 扫描电子显微镜(SEM)对镀覆Co-Fe-P 合金后的玻璃纤维横截面进行观察，如图2所示。由图可知，镀层的厚度为1.0～1.5 μm。

2.3 镀层成分分析

图2 玻璃纤维上Co-Fe-P 合金化学镀层的截面形貌Figure 2 Cross-sectional morphology of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber

采用JEM-5600LV 扫描电子显微镜附带的能谱仪 (EDS)对Co-Fe-P 镀层的表面和截面(见图2中A、B两点)进行点扫描能谱分析，所得结果见表1。从中可以看出，镀层主要组成为Co、Fe 和P 元素，且两测试点的分析结果相差不大，说明玻璃纤维表面均匀覆盖了一层Co-Fe-P 合金镀层。检测到的Ca、Si、Mg 等元素应该是玻璃的成分。

表1 玻璃纤维表面Co-Fe-P 合金镀层的元素组成Table 1 Elemental composition of electroless plated Co-Fe-P alloy coating on glass fiber surface

2.4 吸波性能

将待测纤维剪短为22.86 mm，采用波导法对纤维在8.2～12.4 GHz 频率范围内的电磁参数进行测试[13]。把质量分数占10%的测试纤维均匀分散在熔融石蜡中，然后浇铸到铜质法兰(尺寸为10.16 mm × 22.86 mm × 2 mm)里后制得样品，测试设备为Agilent Technologies HP8510B 矢量网络分析仪。参考文献[14]和[15]，以测试的电磁参数为基础，计算纤维对X 波段的微波反射率，分析其吸波性能。

图3是含及不含化学镀Co-Fe-P 合金镀层的玻璃纤维与石蜡的混合样品对8.2～12.4 GHz 波段电磁波的吸收曲线。由图可见，与无镀覆玻璃纤维的试样相比，化学镀Co-Fe-P 合金玻璃纤维试样对X 波段电磁波的反射损失有所提高。无镀覆玻璃纤维试样对8.2～10.0 GHz 频段电磁波的反射损失基本没有，最大反射损失在12 GHz(损失量为3 dB 左右)；含镀覆Co-Fe-P合金玻璃纤维的试样在8.2～12.4 GHz 波段的反射损失整体提高了3.5 dB，8.2～10 GHz 频段范围内的吸收提高了4.5 dB，最大反射损失在8.2 GHz(损失量为6 dB左右)。从反射损失可以判断，沉积Co-Fe-P 合金镀层改变了玻璃纤维的电磁性能，使其对8.2～12.4 GHz 波段的电磁波有一定的吸收能力。因此，表面沉积Co-Fe-P 合金镀层的玻璃纤维作为吸波材料的增强型填充物，有利于其与其他微波吸收剂的匹配。