電沉積制備銅基復合鍍層的研究進展

姚建國， 寧 欣， 蘇建修

（河南科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

電沉積制備銅基復合鍍層的研究進展

姚建國， 寧 欣， 蘇建修

（河南科技學院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

兼具工藝成本低、工藝流程簡單和工藝柔性好等優(yōu)勢的電沉積技術，是制備單元/多元金屬基復合鍍層的工藝方法。以電沉積制備銅-非金屬化合物復合鍍層和銅-金屬微粒復合鍍層為主題，選取制備工藝、參數(shù)條件優(yōu)化及性能表征等方面作為切入點，分別進行概述。

銅基復合鍍層；電沉積；氧化鋁；碳化硅；二氧化硅

0 前言

銅基復合鍍層是以金屬銅為基體，以非金屬化合物微?；蚪饘傥⒘樵鰪婓w的鍍層。它不僅具備金屬銅優(yōu)良的導電性、導熱性和延展性，還表現(xiàn)出良好的機械性能［1］。銅基復合鍍層在很大程度上拓寬了鍍銅層的應用空間，其制備工藝及性能表征成為研究的熱點。

1 銅－非金屬化合物復合鍍層

1.1 銅－氧化鋁復合鍍層

氧化鋁（Al2O3）微粒以其高強度、高硬度等優(yōu)點而在復合電沉積工藝中受到青睞，常扮演著增強相的角色，用于制備金屬基復合鍍層。

陳勁松等［2］基于噴射電沉積工藝制得Cu-Al2O3復合鍍層，同時研究了鍍液噴射速率、電流密度和Al2O3微粒的添加量對復合鍍層中微粒的質(zhì)量分數(shù)的影響，從而進一步分析了復合鍍層的成分，表征了晶粒及微粒分布狀況。李國俊等［3－4］采用復合電沉積技術制得含α-Al2O3微粒的增強銅基復合鍍層，并探討了鍍液成分、添加劑類型、Al2O3微粒的添加量、攪拌方式及攪拌速率、施鍍時間等多個工藝因素對復合鍍層中Al2O3微粒的體積分數(shù)的影響，以期制備出高體積分數(shù)的復合鍍層。隨后，又分別以顯微硬度、伸長率和電阻率為指標，考察了復合鍍層的機械性能和電學性能。得出結(jié)論：復合鍍層的顯微硬度、伸長率和電阻率的改變歸因于α－Al2O3微粒的加入，且受微粒添加量的影響較為明顯。不同于上述研究思路，陸偉［5］首先從仿真角度，利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型并結(jié)合正交試驗法，預測了Al2O3微粒的添加量、磁力攪拌速率和電流密度等工藝參數(shù)對Cu-Al2O3納米復合鍍層中微粒的質(zhì)量分數(shù)的影響；接著開展試驗，驗證了仿真結(jié)果。朱福良等［6］采用脈沖電沉積工藝制得Cu-Al2O3納米復合鍍層，并研究了脈沖頻率、脈沖占空比、攪拌速率和鍍液溫度等因素對復合鍍層顯微硬度的影響。得出結(jié)論：顯微硬度隨脈沖頻率的增大、攪拌速率的加快和鍍液溫度的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，而隨脈沖占空比的增大呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。同樣針對于銅基復合鍍層的性能，王玉林等［7］則選取磨損率作為評價指標，研究了電沉積Cu-Al2O3復合鍍層的耐磨性。結(jié)果表明：耐磨性隨微粒的質(zhì)量分數(shù)的增大、微粒粒徑的減小及復合鍍層硬度的增大而增強。同時，采用掃描電鏡觀察了復合鍍層磨損前后的表面形貌。結(jié)果顯示：存在黏著磨損和磨粒磨損跡象，且磨損程度因微粒的粒徑和微粒的質(zhì)量分數(shù)不同而有所差異。

鑒于銅基復合鍍層展現(xiàn)出較優(yōu)良的綜合性能，為從微觀結(jié)構層面揭示其原因所在，趙乃勤等［8］借助光學顯微鏡和掃描電鏡開展了研究。分析表明：復合鍍層前后期分別存在平面胞狀和螺旋脊狀兩種不同的生長形態(tài)，且均受電沉積工藝參數(shù)（如電流密度、沉積時間等）的影響。盡管復合鍍層的生長形態(tài)無法改變，但可通過篩選工藝參數(shù)間接控制復合鍍層的性能，以獲取期望的結(jié)果。

1.2 銅－碳化硅復合鍍層

碳化硅（SiC）是一種陶瓷微粒，兼具高硬度、耐磨損和耐高溫氧化等優(yōu)點。以其作為添加微粒與基質(zhì)金屬銅共沉積，有望制備出集各自優(yōu)勢性能于一體的Cu-SiC復合鍍層，進一步拓寬銅基復合鍍層的應用空間。

馬春陽等［9］和王金東等［10］分別采用機械攪拌電沉積方法和超聲波－機械復合攪拌電沉積方法，實現(xiàn)納米尺度的SiC微粒與銅離子共沉積，獲得Cu－SiC納米復合鍍層。前者利用摩擦磨損試驗機考察了復合鍍層的耐磨性。實驗發(fā)現(xiàn)：耐磨性不同程度地受電流密度、機械攪拌速率、SiC微粒的添加量及鍍液pH值影響。采用正交試驗法，優(yōu)選出制備具有良好耐磨性的Cu-SiC納米復合鍍層的工藝參數(shù)組合。后者同樣優(yōu)選出制備具有良好耐磨性的Cu－SiC納米復合鍍層的工藝參數(shù)組合，并對復合鍍層磨損前后的形貌進行了對比。Zhu等［11］開發(fā)出一種能有效促使SiC微粒與銅離子共沉積的組合添加劑，并研究了添加劑的用量、機械攪拌強度和電流密度等工藝參數(shù)對復合鍍層中SiC的質(zhì)量分數(shù)的影響。Li等［12－13］采用電刷鍍方法制備 Cu-SiC復合鍍層，并開展了專題研究。相繼觀察了刷鍍速率、刷鍍時間和電流密度對復合鍍層形貌的影響規(guī)律，分析了SiC微粒的添加量和刷鍍電壓對復合鍍層顯微硬度的影響規(guī)律，以及電流密度和SiC微粒的質(zhì)量分數(shù)對復合鍍層耐磨性的影響規(guī)律。同時，對電刷鍍制備Cu-SiC復合鍍層的機制進行了探討，表征了晶粒形態(tài)、尺度及分布狀況，揭示了晶粒的生長模式及微粒與晶粒共沉積的過程。

1.3 銅－二氧化硅復合鍍層

與碳化硅微粒類似，二氧化硅（SiO2）微粒也具有耐磨損、高硬度等優(yōu)點，并且在耐腐蝕方面同樣表現(xiàn)優(yōu)良。作為一種細氧化物粉體，SiO2在制備銅基復合鍍層方面也有一定的應用。但相比較而言，圍繞Cu-SiO2復合鍍層的研究尚未鋪展開，截至目前僅有為數(shù)不多的文獻報道。

曹玉瑞等［14］采用超聲波電沉積法制備出Cu－SiO2納米復合鍍層。實驗發(fā)現(xiàn)：復合鍍層的組織結(jié)構隨電流密度的增加漸趨稀松，而隨超聲波功率的提高先改善后惡化；顯微硬度則隨電流密度的增加和超聲波功率的提高呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。利用常規(guī)的電沉積工藝，王文芳等［15］和王法斌等［16］同樣制得Cu-SiO2納米復合鍍層。前者借助掃描電鏡觀測發(fā)現(xiàn)：所得復合鍍層的結(jié)構較為致密，但致密度和晶粒尺寸均受復合微粒的粒度及工藝參數(shù)影響。同樣，顯微硬度測定和磨損試驗結(jié)果也表明：復合鍍層的顯微硬度和耐磨性均隨工藝參數(shù)的改變出現(xiàn)明顯波動。合理設定參數(shù)條件有利于制備出結(jié)構致密、性能優(yōu)良的Cu-SiO2納米復合鍍層。后者則針對Cu-SiO2納米復合鍍層的耐蝕性，運用浸泡腐蝕失重法、電化學測試等方法展開評價。

對于Cu-SiO2復合鍍層，除表征其組織結(jié)構和分析其物化性能外，其中SiO2微粒的嵌合量也是關注的方面。王莉萍等［17］的研究表明：Cu-SiO2復合鍍層中SiO2微粒的質(zhì)量分數(shù)隨鍍液中微粒的質(zhì)量濃度的升高和沉積時間的延長而升高，并且施加超聲波有助于微粒的質(zhì)量分數(shù)的提升。同時，還研究了微粒的質(zhì)量濃度和沉積時間對共沉積速率的影響規(guī)律。

除此之外，譚澄宇［18］和賀春林等［19］還分別研究了Cu-ZrW2O8復合鍍層、Cu-TiO2復合鍍層的結(jié)構與性能。

2 銅－金屬微粒復合鍍層

優(yōu)良的延展性、導電性和導熱性是金屬銅的優(yōu)勢性能，但機械性能不理想是其不足，在一定程度上限制了其應用?；诠渤练e原理可選擇性地實現(xiàn)銅離子與多種金屬微粒共沉積，有望彌補某些劣勢性能，獲得綜合性能優(yōu)良的銅基復合鍍層。

洪逸等［20］利用復合電沉積工藝，于純銅電觸頭表面鍍覆Cu-W復合鍍層。測試表明：觸頭的抗熔焊性能和抗電弧燒蝕性能得到大幅提高，可滿足應用要求。并在此基礎上，通過正交試驗法考察了鍍液中W微粒的質(zhì)量濃度、電流密度、鍍液溫度和攪拌強度等工藝參數(shù)對Cu-W復合鍍層中 W微粒的質(zhì)量分數(shù)的影響。王道剛等［21］制備的Cu-W復合鍍層的顯微硬度更高、接觸電阻更低且電接觸壽命更長。這是因為W微粒的嵌入發(fā)揮出疊加效果，賦予復合鍍層優(yōu)良的性能。

文獻［22-23］也分別報道了基于共沉積原理制備出Cu-Al復合鍍層和Cu-In復合鍍層，且它們的性能均較純銅鍍層的有所改善。

3 結(jié)語

鑒于銅基復合鍍層不僅具備鍍銅層的優(yōu)勢性能，而且表現(xiàn)出較為良好的機械性能，因而受到關注。隨著對銅基復合鍍層的制備工藝及性能表征的研究越來越多，頗具價值的研究成果也將陸續(xù)公開展示。

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［1］郭鶴桐，張三元.復合電鍍技術［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2007.

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［4］李國俊，趙乃勤，郭洪霞，等.α-Al2O3/Cu復合鍍層材料性能的研究［J］.電鍍與涂飾，1994，13（4）：21-24.

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［23］裴有福，龔桂義，齊毓霖.刷鍍滲入Sn鍍層和Cu＋In復合鍍層耐磨性的研究［J］.固體潤滑，1991，11（1）：9-20.

Research Progress in Preparing Copper Based Composite Coatings by Electrodeposition

YAO Jian-guo， NⅠNG Xin， SU Jian-xiu
（Henan Institute of Science and Technology，Xinxiang 453003，China）

Electrodeposition，having superiorities of low process cost，simple process flow and excellent process flexibility simultaneously，is a suitable technological method for preparing single-element or multiple-element metal based composite coatings.With selection of preparation process，parameter optimization，property characterization，etc.as a starting point，the electrodeposition of coppernonmetallic compound composite coating and copper-metal particle composite coating are overviewed respectively.

copper based composite coating；electrodeposition；alumina；silicon carbide；silica

TQ 153

A

1000-4742（2014）03-0001-03

2013-11-15