CN108998818B - 一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，该方法为：一、将硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸加到去离子水中混合均匀得到电解液；二、电解液注于电解槽，待处理的闭孔泡沫铝试样连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为1V～5.3V的条件下电沉积处理10min～50min，在闭孔泡沫铝试样表面生长一层均匀的铜镀层。本发明得到的铜镀层表面均匀，且具有良好的结合力和致密性，该方法深镀能力好，能够有效提高闭孔泡沫铝的机械性能，对闭孔泡沫铝的孔隙率、尺寸等无特殊要求，具有良好的通用性。
Description
技术领域
本发明属于电沉积处理技术领域，具体涉及一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法。
背景技术
泡沫铝是一种轻质功能材料，由于其超轻结构以及较高的比强度和比表面积，受到人们的广泛关注。它不仅具有多孔材料所具有的轻质特性,还具有金属所具有的优良的力学性能和热、电等物理性能。泡沫铝具有优异的热传导性能、耐热、吸能、吸声、隔声及电磁屏蔽等优点。使其在交通运输、建筑机械、冶金化工、电子通讯、航空航天、军事装备等多个领域具有广阔的应用前景。对于闭孔泡沫铝，因其内部分布有大量孔洞，虽会导致铝的强度、刚度等力学性能有所降低，但其吸能能力大大提高，尤其是在碰撞吸能领域，能够在几乎恒定的压力作用下进行能量吸收，这是一般结构的材料所实现的，因此泡沫铝在汽车工业中极具发展潜力。
然而泡沫铝自身强度低，由于铝的杨氏模量是67GPa，而铜的杨氏模量是123Ga，几乎是铝的二倍，因此铜经常被作为镀层来提高机体的强度和硬度，故在泡沫铝表面电沉积铜镀层能显著提高泡沫铝的抗压强度，也进一步提高了泡沫铝能量吸收的能力。同时，由于生产泡沫铜所需要的成本大约是生产泡沫铝的三倍，因此，在泡沫铝表面沉积铜镀层制备泡沫铜能大大降低生产泡沫铜的成本。在泡沫铝表面制备铜镀层具有广泛的应用前景。
在泡沫铝表面制备镀层已经研究了几十年，主要的方法有：化学镀铜、电化学硫酸盐镀铜、HEDP镀铜和氰化物电镀铜。其中，电化学硫酸盐沉积制备镀层具有易于操作、废液易于处理、经济、电流密度高、镀层均匀并与基体结合良好的优点，因此，在泡沫铝表面电化学沉积制备镀层的方法具有广阔的应用前景。大多数学者都采取稳流的方法制备镀层，但是多适用于基体为板材的合金，对于泡沫铝这种具有特殊胞孔结构的金属深镀能力不够好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法。该方法通过稳压的方法快速地在闭孔泡沫铝表面获得均匀、致密的铜镀层，该方法具有高效、节能、深镀能力好的优点，同时泡沫铝试样板的屈服强度、平台应力、单位体积吸收能量的大小等机械性能显著提高。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸加到去离子水中混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.2mol/L～1.5mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L～0.8mol/L，氯化钠的浓度为40mg/L～60mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为1V～5.3V的条件下电沉积处理10min～50min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
本发明所用的电解液为硫酸盐体系电解液，电解液中添加硫酸铜作为给镀液提供铜离子的主盐，硫酸的加入能够提高电解液的比导电度，从而使电沉积过程在较大的电流密度下进行，并且能降低硫酸铜的离解度，减少硫酸铜的水解程度，改善镀层质量；氯离子是电沉积反应中的光亮剂，如果没有氯离子的存在，就得不到理想光亮的镀铜层，氯离子的含量要求比较严格，不可过低或过高，含量高会产生麻点而且影响整平性能，含量低会得不到理想的光亮性。氯离子的存在还可增大阴极极化作用，减少镀层内应力。因此经过大量试验，以及深入分析及验证，确定了电解液中硫酸铜的浓度为1.2mol/L～1.5mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L～0.8mol/L，氯化钠的浓度为40mg/L～60mg/L时电沉积的铜镀层均匀、致密且结合力强不易脱落。
本发明采取稳压的方法制备铜镀层，使闭孔泡沫铝表面的凹孔处也能得到良好的电镀，因为稳压电镀方式具有电流自调节的功能，使得泡沫铝凹孔处的金属离子能够具有足够大的阴极极化值从而进行电沉积，并且后期电流趋于稳定。而选择在电压为1V～5.3V的条件下恒压电沉积的原因为当电沉积电压小于1V时，由于电压过小，镀层颗粒形核的驱动力过小并且镀层沉积速度慢，镀层难以形成，而当电压超过5.3V时，铜离子放电速度加快，而吸附在表面的铜离子扩散速度相对滞后，不利于铜离子的扩散，使镀层晶粒粗大，导致结合力降低，会出现脱落现象，同时针对电沉积处理时间也做了大量试验，试验结果发现电沉积处理时间小于10min，镀层不能完全覆盖泡沫铝基体，如果电沉积处理时间大于50min，涂层粗糙度会越来越大，表面不平整，出现二次沉积的现象，有粉末状的铜脱落。
上述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤一中所述电解液中硫酸铜的浓度为.1.25mol/L，硫酸的浓度为0.61mol/L，氯化钠的浓度为50mg/L。
上述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述电沉积电源为直流电源。
上述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述电压为2.3V，此电压下电沉积的镀层颗粒最为致密均匀，对基体覆盖良好。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明通过稳压的电化学沉积的方法在闭孔泡沫铝表面制备铜镀层，深镀能力好，镀层均匀致密。使沉积后泡沫铝试样板的密度显著提高，从而提高泡沫铝的屈服强度、平台应力、单位体积吸收能量的大小等机械性能。
2、采用本发明工艺参数，可以快速在闭孔泡沫铝表面获得致密的铜镀层，该镀层与泡沫铝基体具有良好的结合力，镀层厚度约为80μm，此方法具有高效、节能的优点，同时镀层均匀分布闭孔泡沫铝试样板的机械性能显著提高。
3、本发明所使用的硫酸盐体系电解液，使用寿命高达4个月以上。由于电解液中不含有高价铬等对环境产生严重污染的金属离子，加之电解液使用寿命长，因此电解液具有长效、绿色环保的优点，且铜镀层不含有毒物质，对人体无害。
4、本发明的处理工艺对闭孔泡沫铝的孔隙率、尺寸等无特殊要求，凡是浸没在电解液中的泡沫铝，电沉积处理后均可在表面获得均匀、致密的镀层，因此该工艺具有良好的通用性。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1所用的闭孔泡沫铝基体的表面照片。
图2为本发明实施例1表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝的表面宏观示意图。
图3为本发明实施例1表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝的截面SEM图。
图4为本发明实施例1在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图。
图5为本发明实施例6在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图。
图6为本发明实施例7在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图。
图7为本发明实施例5在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图。
图8本发明对比例2在表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝的表面宏观示意图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、将硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸加到去离子水中混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.25mol/L，硫酸的浓度为0.61mol/L，氯化钠的浓度为50mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，所述电沉积电源为直流电源，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为2.3V的条件下电沉积处理10min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
图1为本实施例所用的闭孔泡沫铝基体的表面照片，图2为本实施例表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝的表面宏观示意图，对比图1和图2，从图2上能看到紫红色的铜镀层，说明经过本实施例的方法能够在闭孔泡沫铝的表面沉积铜镀层。从本实施例制备的表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板上切割一小块，用扫描电镜进行形貌观察，并采用钼粉镶样，图3为本实施例表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的截面SEM图，图3中A处为镶样后压实的钼粉，B处为闭孔泡沫铝基体，C处为铜镀层。图4为本实施例1在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图，从图4上可看出，铜镀层均匀、致密，镀层颗粒细小。
对比例1
本对比例的方法包括以下步骤：
步骤一、将硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸加到去离子水中混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.25mol/L，硫酸的浓度为0.61mol/L，氯化钠的浓度为50mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，所述电沉积电源为直流电源，控制电解液的温度为室温25℃，在电流密度为2.5A/dm2的条件下电沉积处理10min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
实施例2
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电沉积处理的时间为20min。
实施例3
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电沉积处理的时间为30min。
实施例4
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电沉积处理的时间为40min。
实施例5
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电沉积处理的时间为50min。
对比例2
本对比例与实施例5相同，不同之处在于：步骤二中所述电沉积处理的时间为60min。图8为本发明对比例2闭孔泡沫铝表面的宏观照片。从图上可以看出铜镀层出现局部脱落现象。
实施例6
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电压为1V，电沉积时间为10min。
图5为本发明实施例6在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图，从图5可知，镀层对基体存在覆盖不完整的现象，镀层颗粒较为粗大。
实施例7
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电压为1.5V，电沉积时间为10min。
实施例8
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤二中所述电压为4V，电沉积时间为10min。
实施例9
本实施例与实施例1相同，不同之处在于：步骤一中所述电解液中硫酸铜的浓度为1.25mol/L，硫酸的浓度为0.61mol/L，氯化钠的浓度为50mg/L；步骤二中所述电压为5.3V，电沉积时间为10min。
图6为本发明实施例7在闭孔泡沫铝表面沉积的铜镀层的SEM图，从图6可知，镀层可以完整覆盖基体，较为致密。
实施例10
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、以去离子水为溶剂，以硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸为溶质，溶剂和溶质混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.2mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L，氯化钠的浓度为40mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，所述电沉积电源为直流电源，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为1V的条件下电沉积处理50min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
实施例11
本实施例的方法包括以下步骤：
步骤一、以去离子水为溶剂，以硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸为溶质，溶剂和溶质混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.5mol/L，硫酸的浓度为0.8mol/L，氯化钠的浓度为60mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述电沉积电源为直流电源，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为5.3V的条件下电沉积处理30min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
将实施例1～实施例11，以及对比例1和对比例2在电子万能试验机上进行准静态压缩试验，准静态压缩试验的参数：压力为10kN，压缩速率为5mm/min，压缩率达到70％以上，测得的屈服强度、平台应力、单位体积吸收能量如表1所示。
表1实施例1～实施例11、对比例1和对比例2制备的表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的机械性能数据
从表1中实施例1～实施例5可以看出，随着电沉积时间的增长，表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的屈服强度、平台应力和单位体积吸能量呈现增大的趋势，这是由于随着电沉积时间的增长，沉积在闭孔泡沫铝上铜的质量增加，闭孔泡沫铝的屈服强度、平台应力和单位体积吸收能量均提高。但是实施例5制备的表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的单位体积吸收能量明显小于实施例4的，这是由于沉积时间延长太多将会出现二次沉积的现象，反而会降低单位体积吸收能量，这也能从图7中明显观察得到，并且对比例2中延长电沉积的时间为60min，表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的屈服强度、平台应力和单位体积吸能量均下降，再次说明二次沉积的现象将严重影响铜镀层对闭孔泡沫铝试样板的强度和刚度的积极影响，经过仔细观察发现，对比例2中得到的表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板，其表面的铜镀层出现局部脱落现象，显然沉积时间取10min～50min能够获得均匀、致密且覆盖结合力强的铜镀层。
从表1实施例1、实施例6～实施例9可以看出，电沉积电压从1V到2.3V的范围内，表面沉积有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板的屈服强度、平台应力和单位体积吸能量呈现增大的趋势，而随着电压不断升至5.3V，屈服强度、平台应力和单位体积吸能量呈现降低的趋势，说明电压在2.3V时，所沉积的铜镀层对闭孔泡沫铝试样板的强度和刚度的改善最好。
对比例1采用现有稳流的方法在闭孔泡沫铝试样板表面电沉积铜镀层，该铜镀层的屈服强度、平台应力和单位体积吸收能量与没有铜镀层的闭孔泡沫铝试样板相比，确实改善了闭孔泡沫铝的机械性能，但是与本发明的稳压方法相比较，本发明的稳压法制备的电镀铜层对闭孔泡沫铝的机械性能的增强作用明显优于稳流法。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (4)
1.一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、将硫酸铜、氯化钠和质量浓度为98％的硫酸加到去离子水中混合均匀得到电解液，所述电解液中硫酸铜的浓度为1.2mol/L～1.5mol/L，硫酸的浓度为0.5mol/L～0.8mol/L，氯化钠的浓度为40mg/L～60mg/L；
步骤二、将步骤一中得到的电解液注入电解槽中，将待处理的闭孔泡沫铝试样板连接到电沉积电源的阴极后浸没在电解液中，将铜板连接到电沉积电源的阳极后浸没在电解液中，所述待处理的闭孔泡沫铝试样板与所述铜板的之间的距离为8cm，控制电解液的温度为室温25℃，在电压为1V～5.3V的条件下电沉积处理10min～50min，在闭孔泡沫铝试样板表面生长一层均匀的铜镀层。
2.根据权利要求1所述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤一中所述电解液中硫酸铜的浓度为1.25mol/L，硫酸的浓度为0.61mol/L，氯化钠的浓度为50mg/L。
3.根据权利要求1所述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述电沉积电源为直流电源。
4.根据权利要求1所述的一种在闭孔泡沫铝表面沉积铜镀层的方法，其特征在于，步骤二中所述电压为2.3V。
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