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光亮电镀与添加剂:平滑细晶理论—表面平滑对光亮的影响

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-27  浏览次数:735

表面平滑对光亮的影响

镀镍溶液中,加入某些能使底材金属上的微观割痕很快被填平的添加剂,就能迅速获得光亮的镀层。这种添加剂通常称为整平剂,大半是一些有机化合物,如在镀镍液中加入的香豆素、丁炔二醇或其他乙炔衍生物、丙烯基磺酸钠、季铵盐、吡啶和喹啉衍生物、苯乙烯衍生物等。酸性光亮镀铜液中通常加入硫脲、2一巯基苯 并咪唑、四氢噻唑硫酮、2一噻唑烷硫酮、2一咪唑烷硫酮等。有些无机金属离子也可作为整平剂,如镀镍时可用含Zn2+、Cd2+离子的盐做整平剂。Thomas曾对整平作用下了个定义:镀液能使微观不平表面上谷处沉积的厚,峰处沉积的薄,最终得到平滑表面的能力。根据Kardos提出的平滑扩散控制阻化机理,整平剂应符合下述条件。

①整平剂对阴极的电极反应必须有阻止作用。

②整平剂在电极反应中是消耗性的,如被电化学还原或被镀层混杂等。

③整平剂的电极过程是扩散控制。

如图2-1所示为整平剂丁炔二醇对Watts(瓦茨)镀镍液阴极的极化曲线的影响。比较有无丁炔二醇时的曲线可以看出有整平剂时其镀液的极化作用比无整平剂时强,表示整平剂对电极反应有阻止作用。有整平剂时,在同一电位下,搅拌时扩散层厚度变小,峰谷处均有较多整平剂到达,使电沉积受到强烈的抑制,反应的电流密度变小,这相当于通常波峰所遇到的状况。在不搅拌时,扩散层的厚度仍较厚,整平剂对反应的抑制作用很弱或不明显,这相当于通常波谷所遇到的状况。所以可以把搅拌与不搅拌状态下所得到的结果看成"波峰"与"波谷"。利用旋转圆盘电极,在不同的转速下测量扩散层的厚度就能够模拟微观不平表面上峰、谷处的扩散层厚度或测定镀液的整平能力。

整平剂的整平效果受整平剂的浓度、溶液中金属离子的浓度以及底材表面粗糙度的影响。一般说来,放电金属离子的浓度越高,在相当限度内整平剂的有效浓度也应升高。底材表面的粗糙度越小,整平效果也越好。表2-1表示底材表面显微凹陷的深度和添加剂整平效果的关系。

表2-1 底材表面显微凹陷的深度和添加剂整平性

凹陷深度/μm

   23

   59

   90

整平性/%

   96

   61

   49

Weil等曾用电子显微镜、x射线绕射和测定光反射量等方法来研究表面平滑程度对表面光亮度的影响。结果证明镀镍层的光亮度与表面凹凸度小于0.15μm的面积占总面积的百分数之间有直线关系(见图2-2),而与晶粒大小和晶面最优取向无直接关系。对于镜面光亮的镍表面,其粗糙度小于0.15μm。因此粗糙度小于0.15μm的面积占总面积的百分数越大,镀层就越光亮。在图上对应于横坐标10%~40%的镍沉积物是半光亮的,而60%~90%的镍沉积物为光亮镍。这说明表面越平滑,镀层也越光亮。表2-2列出了在瓦茨镀镍液中加入各种光亮剂后,镀层表面的反射光量、光亮度、表面粗糙度小于0.15μm的表面积百分数和镀层的结晶轴。表中光亮度是指用肉眼观察的结果。把光亮度分为五级(1~V),级数越高表示越光亮。

 

图2-1整平剂丁炔二醇对瓦茨镀镍液阴极极化曲线的影响

(pH=3.0,50℃)

1,2一不舍丁炔二醇,3,4一含0.49/L丁炔二醇

 

图2-2光反射量同粗糙度小于0.15μm的表面积所占百分数的关系

表2-2镍层光亮度同添加剂、反射光量、表面凹凸度和晶轴的关系

 

镀液组成与条件:NiS04·6H40 400g/L,NiCl2 45g/L,HaB03 45g/L,pH=4.0,(60土2)℃,DK 5A/dm2。

从表2-2可知,镀层反射光量越高其镀层越亮,与此相应的凹凸度小于0.15μm的面积百分数也越高。对于光亮镀层而言,其结晶轴不是单一取向,而是以(311)+(111)为主的多种取向,而且晶粒也都较细。在图2-2上横坐标l0%~40%的镍沉积物,其结晶轴均为(100),但光亮度却明显不同,表面平滑度越高,其表面越光亮,这是和金属表面打光后变亮的现象一致的。作者曾测定了冷轧后的黄铜片经电化学抛光后的反射率为60%~80%,而底材先经布轮机械打光后再进行电化学抛光的黄铜片,其最高反射率可达96%,完全可达到镜面光亮。这表示镀层表面光的反射率可以近似作为判别镀层表面光亮度的定量标准,当然也有例外。

光的反射细分起来有三种类型。第一种称为漫(反)射,这是由表面微米级的显微凹凸不平引起的,漫射的结果是使表面产生无光亮的表面。第二种反射称为定向反射,反射出来的光容易为肉眼和仪表所接受,故它能使表面光亮。第三种是同时存在定向反射和漫射的混合式反射,它兼具以上两者的特性,因此它能使表面有相当的光亮度,但不一定能达到镜面光亮。由此看来,要获得镜面光亮的镀层就要抑制漫射,增强定向反射,还要设法消除表面微米级的显微凹凸不平。

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