化學鍍銅對氧化鋁陶瓷和高鉻鑄鐵之間潤濕性的影響

劉少飛，李星洲，?？烧?/p>

(1．長安大學材料學院，陜西 西安 710064;2．西北工業(yè)大學材料學院，陜西 西安 710072)

0 前言

為了改善金屬與陶瓷之間的潤濕性，一般先對陶瓷顆粒表面采取預處理措施，陶瓷顆粒表面預處理有以下兩個作用:一是增加固體粒子的總體表面能;二是減小或消除陶瓷顆粒表面吸附雜質(zhì)和氣體，進而提高陶瓷與金屬液之間的潤濕性［1］。考慮其他預處理方法在成本、工藝上的復雜性，日常生產(chǎn)中常用表面化學鍍層的工藝方法。目前，對Al2O3陶瓷常用鍍銅和鍍鎳工藝。

本實驗采用的陶瓷為Al2O3陶瓷，合金為高鉻鑄鐵，對Al2O3陶瓷表面進行處理，通過改變接觸界面來改善Al2O3陶瓷與高鉻鑄鐵之間的潤濕性，進而減小Al2O3陶瓷和高鉻鑄鐵之間的潤濕角?；瘜W鍍銅前，要對陶瓷表面進行預處理，主要包括清洗、粗化、敏化三步。超聲波清洗以除去材料表面的油污和雜質(zhì);粗化的目的是改變基體表面形貌，增大基片表面粗糙度，以提高結(jié)合強度;而活化過程是為了在基體表面吸附一層催化薄膜，誘導、加速化學鍍沉積反應的進行［2］。

1 實驗材料及方法

1.1 氧化鋁陶瓷的制作

實驗所用陶瓷為固溶度50%的氧化鋁陶瓷，該陶瓷試樣通過濕法制得，其制備配方見表1、2所示。

表1 配方1Table 1 Formula 1

表2 配方2Table 2 Formula 2

氧化鋁陶瓷燒結(jié)過程如圖1所示 (高溫熱處理爐內(nèi)加熱)。

圖1 陶瓷燒結(jié)階段圖Fig.1 Section of ceramic post sintering

經(jīng)過制坯、燒結(jié)、研磨階段，得到固溶度50%的Al2O3陶瓷。

1.2 化學鍍銅

在Al2O3陶瓷進行化學鍍銅之前，首先要采取表面預處理措施，主要包括清洗、粗化、敏化三步。經(jīng)過預處理后的陶瓷基片，再放入含銅的鍍液中施鍍，化學鍍銅的具體工藝步驟及鍍液配方分別見表 3、4［3］:

表3 化學鍍銅預處理步驟Table 3 Pretreatment steps of chemical Cu-plating

1.3 潤濕角的測量

高鉻鑄鐵與陶瓷之間潤濕角的大小可以衡量二者之間潤濕性的好壞，潤濕角愈大，潤濕性愈差，反之潤濕性愈好。測量潤濕角采用座滴法模型，模型如圖2，將高鉻鑄鐵加熱至1600℃，鑄鐵熔化后控制液滴質(zhì)量小于等于0.25 g［4］，滴在已化學鍍銅的Al2O3陶瓷試樣上，測量二者之間潤濕角。

表4 化學鍍銅銅液Table 4 Copper liquid for chemical Cu-plating

圖2 座滴法模型示意圖Fig.2 Model for sessile drop method

2 結(jié)果與討論

2.1 陶瓷試樣的宏觀照片及結(jié)果分析

與圖3未做任何化學處理的Al2O3陶瓷試樣相比，圖4可以看到鍍銅后的Al2O3陶瓷試樣存在明顯的粗化痕跡，陶瓷表面出現(xiàn)小凹坑，這些凹坑能夠保障后期金屬－陶瓷之間更好的結(jié)合，進而減小二者之間的潤濕角。鍍銅后Al2O3陶瓷片的顏色呈褐紅色，但放置一段時間后由于受到空氣氧化，有一部分發(fā)生反應生成了一層氧化銅，因而表面略顯黑色。

圖3 未經(jīng)化學處理Al2O3陶瓷試樣Fig.3 Al2O3ceramic sample before chemical treatment

圖4 鍍銅后Al2O3陶瓷試樣Fig.4 Al2O3ceramic sample after copper plating

2.2 潤濕結(jié)果及分析

在將高鉻鑄鐵熔液滴至陶瓷片上時，需要控制金屬熔液的質(zhì)量，一般將液滴控制在0.25 g的范圍內(nèi)，實驗發(fā)現(xiàn)，液滴質(zhì)量控制不好，可能會導致陶瓷試樣發(fā)生破碎;控制得當，則會出現(xiàn)較規(guī)則的潤濕角，容易測量。

2.2.1 碎裂形貌分析

在將熔化的高鉻鑄鐵金屬液滴在未做任何處理的陶瓷試樣表面的一瞬間，陶瓷試樣發(fā)生了如圖5的破碎現(xiàn)象，分析其原因，主要由以下兩方面。

圖5 破碎的陶瓷Fig.5 Cracked ceramic

一是金屬、陶瓷二者的導熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)差異的影響。一般來說，陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)相差很大，在高溫條件下二者之間會產(chǎn)生內(nèi)應力。陶瓷與金屬的熱膨脹系數(shù)相差越小，產(chǎn)生的內(nèi)應力越小，連接面的的強度越高［5］。在20℃時，鋼的導熱系數(shù)為36～54 W/(m·K)，陶瓷為0.7～1.16 W/(m·K)之間。隨溫度的升高，兩者的導熱系數(shù)呈不同的變化趨勢，但在1350℃時，鋼的導熱系數(shù)仍是比陶瓷大得多。鋼的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高而增大，Al2O3陶瓷在150～1050℃范圍內(nèi)，平均線膨脹系數(shù)為(7.85±0．02) ×10－6/℃，且隨著溫度升高，其瞬態(tài)線膨脹系數(shù)不斷減小。

二是熱沖擊的影響。實驗過程中，Al2O3陶瓷處于室溫狀態(tài)，而高鉻鑄鐵熔液溫度在1600℃左右，巨大的溫度差使得Al2O3陶瓷受到了急熱沖擊的影響，二者之間產(chǎn)生了比較大的熱應力，這種熱應力使Al2O3陶瓷發(fā)生破碎。

2.2.2 潤濕角分析

鍍Cu的AI2O3表面上高鉻鑄鐵滴液如圖6所示。對圖7進行分析，可以明顯看出，高鉻鑄鐵滴在鍍銅的氧化鋁陶瓷表面的潤濕角較小，對該結(jié)果進行簡化后可以較精確測量出二者之間的潤濕角，如圖所標注48°，潤濕性較好。而據(jù)文獻記載［6］，Al2O3陶瓷與鐵之間的潤濕角為140°左右，與耐熱鋼之間的潤濕角為92°，耐熱鋼中含Cr量為24.5%，而實驗所用的高鉻鑄鐵含Cr量僅為15%左右，由于合金元素對金屬－陶瓷的潤濕性有改善作用，故高鉻鑄鐵與陶瓷的潤濕角大于92°，由此我們可以得出結(jié)論，化學鍍銅能夠較明顯的改善金屬－陶瓷之間的潤濕性。

3 結(jié)論

(1)效仿座滴法模型，測出高鉻鑄鐵與鍍銅后的Al2O3陶瓷之間的潤濕角約48°，潤濕角較小，說明經(jīng)鍍銅處理Al2O3陶瓷與高鉻鑄鐵之間的潤濕性得到了明顯改善。

(2)熔化的高鉻鑄鐵金屬液滴落在未處理的陶瓷試樣表面的一瞬間，Al2O3陶瓷試樣容易發(fā)生破碎，造成這種現(xiàn)象的原因有以下兩方面:一是二者熱膨脹系數(shù)、導熱系數(shù)差異較大;二是巨大熱沖擊力的影響。

(3)通過濕法可以制備出固溶度為50%的Al2O3陶瓷。

［1］ 孫墨漢，牛建平．改善陶瓷顆粒/金屬基體潤濕性的方法［J］．沈陽大學學報，1998，75．

［2］ 李志勇，穆道彬，馬營生．提高Al2O3陶瓷表面化學鍍 Cu層結(jié)合力的研究 ［J］．材料保護，1999(8)．

［3］ 夏章能，徐潔．AlN陶瓷表面化學鍍Ni－P合金［J］．材料保護，1998，31(6):19－21

［4］ 任家烈，吳愛萍，彭真山等．Al及其合金作為釬料或中間層連接陶瓷 －金屬 ［J］．材料學報，1999，13(2):16－21．

［5］ 胡信國，張欽京．化學鍍鎳技術(shù)的新進展．新技術(shù)新工藝 ［J］．材料與表面處理，2001(2):35－37．

［6］ 王恩澤，忘恩萬，邢建東．涂層對氧化鋁/耐熱鋼液間潤濕角的影響及其應用［J］．西安交通大學學報，2000，34(11):79－81．