Ni-Co-P/EG 復(fù)合材料制備及其電磁性能研究

宣兆龍，張倩

（軍械工程學(xué)院，石家莊 050003）

膨脹石墨（EG，expanded graphite）作為一種新型碳素材料，以其膨化率高、導(dǎo)電率高、吸附性強(qiáng)、隔熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)在吸附、密封、減震、環(huán)保等方面得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[1]報(bào)道了膨脹石墨蠕蟲因其吸收、散射特性而在電磁屏蔽領(lǐng)域得到應(yīng)用。非晶態(tài)合金則由于其優(yōu)異的力學(xué)、化學(xué)及磁學(xué)等性能廣泛應(yīng)用于表面金屬材料。筆者研究了化學(xué)鍍?cè)谂蛎浭砻婕皟?nèi)部孔結(jié)構(gòu)上制備Ni-Co-P非晶態(tài)合金鍍層及其對(duì)膨脹石墨電磁屏蔽效能的影響，探索了能夠同時(shí)提高膨脹石墨電、磁損耗的新途徑。

1 Ni-Co-P/EG 復(fù)合材料制備

目前，非晶態(tài)合金的制備方法主要有液態(tài)急冷法（包括激光加熱）、氣相沉積法（包括真空蒸鍍、離子鍍、濺射法、CVD 等）、溶液離子鍍（電鍍、化學(xué)鍍等）等制備方法[1]。與其他方法相比，化學(xué)鍍方法具有鍍層厚度均勻且易于控制，表面光亮致密，材料適用性廣，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是獲得非晶態(tài)合金最為經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便的技術(shù)手段[2—4]。

非晶態(tài)合金作為在性能上優(yōu)于其他材料的新型電磁屏蔽材料是利用磁旁路原理來(lái)引導(dǎo)場(chǎng)源所產(chǎn)生的電磁能流，使電磁能量不進(jìn)入空間防護(hù)區(qū)。但是，僅采用單一的鍍層材料難以獲得良好的使用效果。為此可在化學(xué)鍍鎳磷溶液中加入其他金屬鹽，以產(chǎn)生三元非晶態(tài)合金，如Ni-Cu-P，Ni-Co-P等[5]。筆者選擇的Ni-Co-P 合金鍍層與Ni-P 合金相比，具有更高的導(dǎo)電性和耐蝕性，鎳與鈷的磁導(dǎo)率很高，約為銅粉的100倍，而且導(dǎo)電穩(wěn)定性也比較好，適于作磁屏蔽材料。化學(xué)鍍Ni-Co-P鍍液基礎(chǔ)配方及工藝流程如下：膨脹石墨除油—粗化—敏化—活化—還原—化學(xué)鍍鎳-鈷。

膨脹石墨（自制）在50～60 ℃下NaOH水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）中超聲震蕩15 min，取出樣品用去離子水沖洗至中性，用抽濾漏斗過(guò)濾，將得到的膨脹石墨加入適量去離子水洗滌至中性。然后在50～60 ℃下HNO3水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%）中超聲波震蕩粗化15 min，取出樣品用去離子水沖洗至中性，放入烘箱中40 ℃烘干。用敏化液（鹽酸體積濃度為60 mL/L，SnCl2·2H2O質(zhì)量濃度為10 g/L）室溫下超聲波震蕩敏化15 min，取出樣品用去離子水沖洗干凈。用活化液（鹽酸體積濃度為10 mL/L，PbCl2質(zhì)量濃度為0.3 g/L）室溫下超聲波震蕩活化15 min，取出后用去離子水沖洗3～5次。將1 g經(jīng)敏化—活化處理過(guò)的膨脹石墨加入裝有100 mL鍍液（CoSO4·7H2O質(zhì)量濃度為14 g/L，NiSO4·6H2O質(zhì)量濃度為14 g/L，C6H5Na3O7·2H2O質(zhì)量濃度為70 g/L，NaH2PO3·H2O質(zhì)量濃度為30 g/L）的錐形瓶，并將錐形瓶置入超聲波振蕩器，在水溫85℃以及超聲波震蕩的條件下進(jìn)行反應(yīng)。反應(yīng)時(shí)有大量的氣泡放出，鍍覆時(shí)間分別為10，20，30，40 min，在反應(yīng)過(guò)程中應(yīng)間斷地用玻璃棒進(jìn)行攪拌，防止鍍覆過(guò)程中由于粉體增重而沉入瓶底影響鍍覆的效果。

2 Ni-Co-P/EG復(fù)合材料電磁性能分析

2.1 表征

圖1 是化學(xué)鍍Ni-Co-P 合金前后膨脹石墨的外觀形貌。

由圖1 可知，合金鍍覆后并未改變膨脹石墨的形態(tài)，仍為彎曲蠕蟲狀，表面呈現(xiàn)灰的金屬色，經(jīng)能譜檢測(cè)為Ni-Co-P合金。

圖1 化學(xué)鍍Ni-Co-P合金前后膨脹石墨的外觀形貌Fig.1 Appearance of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

2.2 電性能測(cè)試

稱取一定質(zhì)量的膨脹石墨壓片，壓強(qiáng)為5 MPa。電阻率測(cè)試采用與膨脹石墨接觸面為1 cm2的棒狀電極，按圖2所示進(jìn)行對(duì)角測(cè)試，并符合以下要求：

1）電極截面必須清潔；

2）測(cè)試電極采用端面為10 mm×10 mm 的方塊；

3）為使電極截面與被測(cè)樣品有良好的接觸，測(cè)試端面應(yīng)施加2 kg/cm2的壓強(qiáng)；

4）測(cè)試設(shè)備的精度不低于0.001 Ω。

歐姆計(jì)選用美國(guó)生產(chǎn)的數(shù)字化萬(wàn)用表（PACKARD 3455A Digital Volt Meter），精度不低于 0.001 Ω。為使所測(cè)表面電阻率準(zhǔn)確、可靠，測(cè)試時(shí)，按圖2 所示位置進(jìn)行兩次對(duì)角測(cè)試，測(cè)試樣品為正方形（100 mm×100 mm），4 個(gè)電極電位分別置于4 個(gè)角，對(duì)角距離為L(zhǎng)，所得測(cè)量值分別為R1，R2。

表面電阻率ρs為：

ρs=（ρs1+ρs2）/2

式中：ρs1=R1/L；ρs2=R2/L；L=127 mm。

圖2 化學(xué)鍍膨脹石墨表面電阻率測(cè)試Fig. 2 Sketch map of measuring surface resistivity of Ni-Co-P alloy plated EG

膨脹石墨在鍍覆金屬10，20，30，40 min 時(shí)表面電阻率與鍍層金屬沉積量之間的關(guān)系見表1，膨脹石墨表面沉積了一層連續(xù)的Ni-Co-P合金鍍層使其表面電阻率大幅度降低到5.47×10-2Ω/cm 左右，使塑料具有了導(dǎo)電性能。

表1 沉積時(shí)間與鍍層金屬Ni-Co沉積量、表面電阻率關(guān)系Table 1 The deposit time and deposit rate of metal Ni-Co and its surface resistivity

2.3 電磁屏蔽性能

將EG壓制成直徑為100 mm、厚度為2 μm的圓片試樣，用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)定其屏蔽效能的高低，頻率掃描點(diǎn)為200，400，600，800，1 000 MHz。圖3為石墨蠕蟲化學(xué)鍍Ni-Co-P合金前后電磁屏蔽效能變化趨勢(shì)圖。

圖3 電磁屏蔽效能變化Fig. 3 Electromagnetic shielding efficiency of EG and Ni-Co-P alloy plated EG

由圖3 可以看出，電磁屏蔽效能隨頻率的變化趨勢(shì)明顯不同，未鍍合金前膨脹石墨電磁屏蔽效能隨頻率的增加呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)；鍍覆合金后膨脹石墨的電磁屏蔽效能基本平穩(wěn)，維持在高水平，電磁屏蔽效能均高于50 dB，最高達(dá)到69 dB。由電磁屏蔽的傳輸線理論（Schelkunoff理論）可知，Ni-Co-P合金可有效提高復(fù)合材料的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)電導(dǎo)率，從而達(dá)到提高材料電磁屏蔽性能的目的。

3 結(jié)論

通過(guò)表面化學(xué)鍍Ni-Co-P 三元非晶態(tài)合金鍍層，Ni-Co-P/EG 材料電磁屏蔽效能明顯提高，Ni-Co-P/EG 材料電磁屏蔽效能均高于50 dB，最高達(dá)到69 dB。主要是Ni-Co-P 三元合金鍍層中鐵磁性很強(qiáng)的鈷元素的加入，使鍍層的相對(duì)電導(dǎo)率與磁導(dǎo)率的乘積增大，電磁波的吸收損耗增加。

[1]曹夢(mèng)竺，陽(yáng)應(yīng)華，王興涌.膨脹石墨的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀[J].炭素技術(shù)，2003，127（4）：34—36.

[2]渡辺徹.非晶質(zhì)めつき[J].金屬表面技術(shù)，1987，38：210—216.

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[5]宣天鵬，卑多慧.化學(xué)鍍鈷-鎳-磷合金鍍層沉積速度的探討[J].電鍍與涂飾，2000，19（2）：6—9.