CN110965090A - 一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液及其使用方法，涉及一种电镀液及其使用方法，该电镀液由R⁺X^‑（A）、铁的化合物（B）和无水卤化镓（C）混合而成。铁的化合物（B）的添加量为30～300g/L，无水卤化镓（C）的添加量为10～150g/L。操作条件为：惰性气体保护下，电流密度为0.5～5 A/dm²，电镀液温度为30～100℃，电镀时间为30～120min，搅拌速度为0～1000r/min。本发明由于采用非水的离子液体电镀体系，克服了传统水溶液体系析氢副反应严重、所得镀层有杂质元素夹杂、合金组成不易调控等弊病，具有电镀电流效率高、所得镀层纯度高及电镀操作范围宽等特点。

Description

一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种电镀液及其使用方法，特别是涉及一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液及其使用方法。

背景技术

磁致伸缩材料是一类长度和体积随磁化状态的改变而变化的材料，可实现电磁能和机械能或声能之间的相互转化，是重要的能量与信息转换功能材料。铁镓合金（Galfenol）是近年来发现的新型磁致伸缩材料，它兼具传统铁磁金属机械性能优良和稀土合金磁致伸缩应变高两方面的优点，同时还具有饱和磁化场低、磁导率高、低的温度依赖性、氧化稳定性高、价格适中等诸多优点，是一种拥有卓越应用潜力的磁致伸缩材料。 块状铁镓合金材料的各向异性大、涡流损失大，对器件的小型化、集成化不利。近年来，由于微米/纳米机电系统的应用需求，尤其是集成磁致伸缩装置的需求，薄膜形式的铁镓合金的研发和制备迫在眉睫。目前报道的制备铁镓合金薄膜的方法有两大类：（1）物理气相沉积，如磁控溅射、电子束蒸发、激光蒸发、离子束溅射等；（2）溶液镀膜，如电沉积。物理气相沉积所需设备复杂、价格昂贵，沉积温度高，易对基材造成损伤。相比较而言，电沉积具有：操作条件温和、设备简单、成本低、薄膜组成和厚度易控制、对基材几乎没有损害等诸多优点。目前通常采用的电沉积镀液体系为水性电解液，在水溶液中，铁的标准电极电势为-0.4402V，镓的标准电极电势为-0.529V，二者共沉积时容易受到析氢副反应的干扰，电流效率低，且所得镀层有杂质元素夹杂，合金组成不易调控，不利于制备高品质性能优异的铁镓合金薄膜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液及其使用方法，本发明使用离子液体体系为电镀液，通过改变镀液组成、操作温度、电流密度、电镀时间等条件可以得到组成及微观结构可调的铁镓合金薄膜。本发明电镀液电沉积制备铁镓合金具有不存在析氢副反应干扰、电流效率高、所得镀层纯度高、工艺操作弹性大且不污染环境。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液，所述电镀液由（A）、（B）和（C）三种组分组成：

（A）结构中的阳离子R⁺为N,N’-二烷基咪唑（A1）、N,N’-二烷基吡咯烷（A2）、N,N’-二烷基哌啶（A3）、三甲基烷基铵（A4）中的一种或几种，其结构式如下，R₁和R₂代表含1～4个碳的烷基链；

结构式A1

结构式A2

结构式A3

结构式A4

（A）结构中的阴离子X^-为[DCA]^-（A5）或[TFSI]^- （A6）与[Cl]^-的组合，其结构式如下；

结构式A5

结构式A6

（B）为无水卤化亚铁或无水卤化铁或双三氟甲烷磺酰亚胺铁（Fe(TFSI)₂）；

（C）为无水卤化镓。

所述的一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液，电镀液的配置过程：在惰性气氛下，首先称取A（R⁺X^-）放入自制电解槽中，然后向其中分别加入铁的化合物（B）30～300g/L、无水卤化镓（C）10～150g/L，搅拌混合均匀得到电镀液。

一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液使用方法，所述方法在非水体系中，以R⁺X^-（A）、铁的化合物（B）和无水卤化镓（C）为原料，搅拌混合均匀得电镀液，将预处理后的基体为阴极，铂片或Fe₈₃Ga₁₇为阳极，将阴极和阳极放入电镀槽中，惰性气体保护下，保持电极间距、电流密度和搅拌速度，进行恒电流电镀，得到阴极镀件。

所述的 一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液使用方法，所述电流密度为0.5～5 A/dm²，电镀液温度为30～100℃，电镀时间为30～120min，搅拌速度为0～1000r/mi。

本发明的优点与效果是：

本发明使用离子液体体系为电镀液，可操作温度和电流范围宽、电流效率高、能耗低、所得镀层纯度高且不污染环境，克服了现有水溶液电镀体系析氢副反应严重、电流效率低、可操作温度和电位范围窄、所得镀层有杂质元素夹杂、合金组成不易调控等问题。通过改变镀液组成、操作温度、电流密度、电镀时间等条件可以得到组成及微观结构可调的铁镓合金薄膜。本发明工艺简单、原料易得，制备简单，能耗较小。

附图说明

图1为本发明中铁镓合金薄膜镀层的表面形貌图；

图2为本发明中铁镓合金薄膜镀层的EDS能谱图。

具体实施方式

本发明用以下实施例进行说明，但本发明并不局限于下述实施例，所有符合前后所述宗旨的实施都在本发明的技术范围内。

实施例1

1）镀液配置

电镀液配置在手套箱内，惰性气体保护下进行，镀液的三种组分分别为：（A）1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐与1-乙基-3-甲基咪唑氯盐的混合物，二者的摩尔比为2:1，（B）为无水氯化亚铁，（C）为无水氯化镓。在惰性气体保护下，量取50毫升1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺与1-乙基-3-甲基咪唑氯盐的混合液，然后加入2g 无水氯化亚铁，搅拌溶解后，再加入2.3g无水氯化镓，继续搅拌，待完全溶解后即得电镀液。

2）施镀过程

施镀过程可在手套箱中进行，也可在惰性气体保护下进行。将基体进行除油、酸洗、水洗、干燥等前处理工序后作为阴极，铂片为阳极，将阴极和阳极放入到步骤1得到的电镀液中，保阴极和阳极的距离控制在1cm，温度保持在30℃，搅拌速度为500r/min，控制电流密度为1A/dm²进行恒电流电镀60min，得到阴极镀件。然后依次采用乙醇和去离子水冲洗，吹干，即得铁镓合金薄膜镀层。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是：（A）为1-丁基-1-甲基吡咯烷双三氟甲烷磺酰亚胺盐与1-乙基-3-甲基咪唑氯盐的混合物，二者的摩尔比为2:1；施镀过程中温度为50℃，电流密度为0.8A/dm²，其他与实施例1相同，同样可以得到致密均匀的铁镓合金薄膜镀层。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是：（A）为1-丁基-1-甲基咪唑双氰胺盐，（B）为无水氯化亚铁，加入量为1.6g；施镀过程中温度为40℃，电流密度为0.8A/dm²，其他与实施例1相同，同样可以得到致密均匀的铁镓合金薄膜镀层。

Claims (4)

1.一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液，其特征在于，所述电镀液由（A）、（B）和（C）三种组分组成：

（A）结构中的阳离子R⁺为N,N’-二烷基咪唑（A1）、N,N’-二烷基吡咯烷（A2）、N,N’-二烷基哌啶（A3）、三甲基烷基铵（A4）中的一种或几种，其结构式如下，R₁和R₂代表含1～4个碳的烷基链；

结构式A1

结构式A2

结构式A3

结构式A4

（A）结构中的阴离子X^-为[DCA]^-（A5）或[TFSI]^- （A6）与[Cl]^-的组合，其结构式如下；

结构式A5

结构式A6

（B）为无水卤化亚铁或无水卤化铁或双三氟甲烷磺酰亚胺铁（Fe(TFSI)₂）；

（C）为无水卤化镓。

2.根据权利要求1所述的一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液，其特征在于，电镀液的配置过程：在惰性气氛下，首先称取一定量的A（R⁺X^-）放入自制电解槽中，然后向其中分别加入铁的化合物（B）30～300g/L、无水卤化镓（C）10～150g/L，搅拌混合均匀得到电镀液。

3.一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液使用方法，其特征在于，所述方法在非水体系中，以R⁺X^-（A）、铁的化合物（B）和无水卤化镓（C）为原料，搅拌混合均匀得电镀液，将预处理后的基体为阴极，铂片或Fe₈₃Ga₁₇为阳极，将阴极和阳极放入电镀槽中，惰性气体保护下，保持电极间距、电流密度和搅拌速度，进行恒电流电镀，得到阴极镀件。

4. 根据权利要求3所述的 一种用于制备铁镓合金的离子液体电镀液使用方法，其特征在于，所述电流密度为0.5～5 A/dm²，电镀液温度为30～100℃，电镀时间为30～120min，搅拌速度为0～1000r/mi。

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