屏蔽罩超聲輔助電鍍Ni-Co/SiO2復合鍍層的耐蝕性研究

葉 萍，周 倩，董 良

（1?蘇州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇蘇州215104；2?蘇州艾思蘭光電有限公司，江蘇蘇州215153；3?齊齊哈爾大學黑龍江齊齊哈爾161006）

屏蔽罩用于屏蔽外界電磁波以防止對內(nèi)部電路造成影響，同時阻擋內(nèi)部電路產(chǎn)生的電磁波向外輻射。在電子行業(yè)中，屏蔽罩應用廣泛［1］。根據(jù)安裝方式不同，分為固定式屏蔽罩和可拆卸式屏蔽罩，根據(jù)功能屬性不同，分為靜磁屏蔽罩、低頻電磁屏蔽罩和高頻電磁屏蔽罩。無論是哪種屏蔽罩，在實際應用中一般都進行電鍍處理，主要是電鍍鎳或電鍍鎳鈷合金，其目的是改善屏蔽罩的耐蝕性，同時也起到裝飾效果。

雖然鎳鍍層和鎳鈷合金鍍層都具有較好的耐蝕性，使屏蔽罩可以滿足大多數(shù)使用場合的要求，但在某些比較特殊的環(huán)境中，需要在屏蔽罩表面電鍍具有更好耐蝕性的鍍層，比如顆粒增強鎳基復合鍍層、顆粒增強鎳鈷基復合鍍層等［2‐5］。這類鍍層是在金屬離子沉積的同時將不溶性顆粒牢固地嵌在基質(zhì)金屬中，彌散分布的顆粒對基質(zhì)金屬起到細晶強化和彌散強化作用，從而使復合鍍層具有比鎳鍍層和鎳鈷合金鍍層更好的耐蝕性。本文在屏蔽罩表面電鍍以SiO2顆粒為增強相、以鎳鈷合金為基質(zhì)金屬的Ni‐Co/SiO2復合鍍層，并施加超聲波以強化電鍍過程。研究了超聲波功率對鍍層耐蝕性的影響，以期優(yōu)化鍍層的耐蝕性，使這類鍍層可以應用在電子元件屏蔽罩上，從而進一步改善屏蔽罩的耐蝕性。

1 實驗

1.1 屏蔽罩預處理

實驗前，將屏蔽罩浸入丙酮中超聲波除油，再用無水乙醇清洗后，浸入稀鹽酸中酸洗，最后用去離子水沖洗，緊接著置于恒溫干燥箱中。預處理完成后，選用分析純氨基磺酸鎳、氨基磺酸鈷、硼酸、氯化鎳和十二烷基苯磺酸鈉等試劑，并以去離子水作溶劑配制氨基磺酸鹽鍍液，其成分如表1 所示。配好的鍍液攪拌均勻后添加SiO2顆粒（平均粒徑為50 nm，質(zhì)量濃度為4 g/L），并進行超聲波分散處理。

1.2 超聲輔助電鍍Ni-Co/SiO2復合鍍層

預處理后的屏蔽罩浸于配好的氨基磺酸鹽鍍液中，采用掛鍍的方式電鍍顆粒增強鎳鈷基復合鍍層，電流密度為2 A/dm2，鍍液溫度控制在50 ℃左右。為防止分散的SiO2顆粒重新團聚，在持續(xù)的超聲波作用下進行實驗。采用深圳市超潔科技實業(yè)有限公司生產(chǎn)的CJ‐100ST 型超聲波清洗器，設置超聲波功率分別為0、90、150、240、320 W。電鍍時間均為50 min。

表1 氨基磺酸鹽鍍液的成分Tab.1 Composition of sulfamate bath

1.3 表征與測試

1.3.1 表面形貌及鍍層中SiO2顆粒含量

采用Nova NanoSEM 450型掃描電鏡表征鍍層表面形貌，設置掃描電鏡的加速電壓為15 kV，放大倍數(shù)為5000 倍。采用IE250X-Max50 型能譜儀測定Si元素質(zhì)量分數(shù)，根據(jù)Si和SiO2的相對原子質(zhì)量比，計算出鍍層中SiO2顆粒含量。

1.3.2 顯微結(jié)構(gòu)

采用D8 Advance 型X 射線衍射儀（XRD）對鍍層顯微結(jié)構(gòu)進行表征，設置X 射線衍射儀的管電壓為40 kV、管電流為40 mA，掃描速率為8 °/min，掃描角度為30～100°。

根據(jù)公式（1）計算晶面織構(gòu)系數(shù)，表征鍍層晶面擇優(yōu)取向。

式中：I（hkl）為鍍層（hkl）晶面的衍射強度；I0（hkl）為標準粉末（hkl）晶面的衍射強度；n為晶面數(shù)。

根據(jù)公式（2）計算鍍層晶格常數(shù)。

式中：a 為鍍層晶格常數(shù)；λ 為X 射線波長；θ 為衍射角；h、k、l為晶面指數(shù)。

1.3.3 耐蝕性

采用CHI 660E 型三電極體系電化學工作站測試鍍層在氯化鈉溶液（質(zhì)量分數(shù)為3?5%）中的阻抗譜，溶液溫度控制在25 ℃左右，阻抗譜測試的頻率范圍為105～10‐2Hz，振幅為10 mV。采用Zsimpwin軟件對阻抗譜測試結(jié)果進行擬合處理得到電荷轉(zhuǎn)移電阻。

依據(jù)國家標準（GB/T 5776-2005）進行浸泡腐蝕實驗，腐蝕介質(zhì)選用氯化鈉溶液（質(zhì)量分數(shù)為3?5%），根據(jù)公式（3）計算鍍層腐蝕速率。

式中：v 為腐蝕速率；Δm 為鍍層因腐蝕造成的質(zhì)量損失；S為鍍層表面積；t為浸泡時間。

綜合阻抗譜測試結(jié)果以及腐蝕速率，對鍍層耐蝕性進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍層表面形貌

圖1 所示為不同超聲波功率下鍍層表面形貌。將圖1（a）、1（b）、1（c）、1（d）和1（e）對比可知，超聲波功率提高會影響鍍層表面形貌，在0～240 W 的范圍內(nèi)，超聲波功率提高有利于晶粒細化，使鍍層表面形貌明顯改善。原因主要有兩方面［6‐7］：其一，超聲波產(chǎn)生的空化效應和局部微射流作用有效地促進金屬離子向陰極表面遷移，使陰極表面因電沉積消耗的金屬離子得以補充，在一定程度上增大了陰極過電位，進而使形核率提高。其二，SiO2顆粒在空化效應和局部微射流作用的驅(qū)動下吸附在陰極表面并優(yōu)先填充缺陷區(qū)域，可以起到異質(zhì)形核作用。除此之外，填充在缺陷區(qū)域的SiO2顆粒還可以阻礙晶粒長大，同樣有利于提高形核率，進而使鍍層表面形貌得以改善。

圖1 不同超聲波功率下鍍層表面形貌Fig.1 Surface morphology of the coatings under different ultrasonic power

一般來說，鍍層中SiO2顆粒含量越高，SiO2顆粒起到的促進形核作用以及對晶粒長大的阻礙作用越顯著。如圖2所示，在0～240 W的范圍內(nèi)，超聲波功率提高伴隨著鍍層中SiO2顆粒含量逐漸升高，相應地從1?36 %升高到約2?80 %。這是由于超聲波功率提高促使SiO2顆粒在鍍液中充分分散，更容易被俘獲并嵌在鍍層中。越來越多的SiO2顆粒進一步增強了促進形核和細化晶粒的作用［8‐9］，使鍍層表面形貌明顯改善。

圖2 不同超聲波功率下鍍層中SiO2顆粒含量Fig.2 SiO2 particle content in the coatings under different ultrasonic power

而在240～320 W 的范圍內(nèi)，超聲波功率提高反而會使晶粒粗化，鍍層表面形貌也隨之變差。原因在于，當超聲波功率超過一定范圍后，過于劇烈的空化效應和局部微射流作用會干擾SiO2顆粒在陰極表面吸附，也可能將一部分已經(jīng)吸附的SiO2顆粒從陰極表面驅(qū)離。因此被俘獲的SiO2顆粒減少，鍍層中SiO2含量降低，SiO2顆粒起到的促進形核作用以及對晶粒長大的阻礙作用減弱［10‐12］。

2.2 鍍層顯微結(jié)構(gòu)

圖3 所示為不同超聲波功率下鍍層的XRD 圖譜。從圖3 看出，超聲波功率分別為0、90、150、240、320 W 時，不同鍍層的XRD圖譜中都出現(xiàn)三個衍射峰，對應的衍射角和晶面指數(shù)如表2 所示。通過對比可知，超聲波功率提高不會影響鍍層衍射峰的數(shù)量和位置。但是不同超聲波功率下鍍層晶面擇優(yōu)取向和晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)等可能有所不同，這會導致鍍層性能存在一定的差異。因此，有必要進一步研究不同超聲波功率下鍍層的晶面擇優(yōu)取向和晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 所示為不同超聲波功率下鍍層各晶面的織構(gòu)系數(shù)。從圖4看出，超聲波功率為0 W時，鍍層（200）和（311）晶面的織構(gòu)系數(shù)比較接近，均為40%左右，意味著該鍍層呈現(xiàn)雙晶面擇優(yōu)取向。隨著超聲波功率提高，鍍層（200）晶面的織構(gòu)系數(shù)遠大于（111）和（311）晶面的織構(gòu)系數(shù)，即超聲波功率為90、150、240、320 W 時，鍍層都呈現(xiàn)單一晶面擇優(yōu)取向。

圖3 不同超聲波功率下鍍層的XRD圖譜Fig.3 XRD spectrum of the coatings under different ultrasonic power

表2 不同超聲波功率下鍍層衍射峰對應的衍射角和晶面指數(shù)Tab.2 Diffraction Angle and crystal surface index of the coatings under different ultrasonic power

以（200）晶面為例，計算晶格常數(shù)。不同超聲波功率下鍍層晶格常數(shù)均為1?96 ? 左右，表明超聲波功率提高對鍍層晶格常數(shù)基本沒有影響。

2.3 鍍層耐蝕性

圖5 所示為不同超聲波功率下鍍層的腐蝕速率。從圖5可以看出，在0～240 W的范圍內(nèi)，超聲波功率提高伴隨著腐蝕速率逐漸減小，相應地從2?72×10-2mg/（mm2·d）減小到1?23×10-2mg/（mm2·d）。而在240～320 W 的范圍內(nèi)，超聲波功率提高伴隨著腐蝕速率有所增大，當超聲波功率提高到320 W時，腐蝕速率為1?48×10-2mg/（mm2·d），與超聲波功率為240 W時的腐蝕速率相比增大了約20%。

圖4 不同超聲波功率下鍍層各晶面的織構(gòu)系數(shù)Fig.4 Texture coefficient of each crystal surface of the coatings under different ultrasonic power

圖5 不同超聲波功率下鍍層的腐蝕速率Fig.5 Corrosion rate of the coatings under different ultrasonic power

圖6、7 所示分別為不同超聲波功率下鍍層的阻抗譜測試結(jié)果及擬合得到的電荷轉(zhuǎn)移電阻。綜合圖6 和圖7 看出，在0～240 W 的范圍內(nèi)，超聲波功率提高伴隨著容抗弧半徑和電荷轉(zhuǎn)移電阻增大，例如，超聲波功率為0 時，鍍層容抗弧半徑最小，電荷轉(zhuǎn)移電阻僅為1?46 kΩ·cm2，而超聲波功率為240 W時，鍍層容抗弧半徑最大，電荷轉(zhuǎn)移電阻增大到3?34 kΩ·cm2。而在240～320 W 的范圍內(nèi)，超聲波功率提高伴隨著容抗弧半徑和電荷轉(zhuǎn)移電阻減小。綜合以上分析，適當提高超聲波功率有利于改善鍍層的耐蝕性，且當超聲波功率為240 W 時，鍍層的耐蝕性相對最好。

圖6 不同超聲波功率下鍍層的阻抗譜測試結(jié)果Fig.6 Impedance spectrum test results of the coatings under different ultrasonic power

圖7 不同超聲波功率下鍍層的電荷轉(zhuǎn)移電阻Fig.7 Charge transfer resistance of the coatings under different ultrasonic power

3 結(jié)論

（1）超聲波功率提高對鍍層表面形貌和耐蝕性都有一定的影響，但是對鍍層衍射峰的數(shù)量、位置以及晶格常數(shù)基本沒有影響。

（2）適當提高超聲波功率有利于改善鍍層表面形貌，并提高鍍層中SiO2顆粒含量，從而使鍍層的耐蝕性逐步改善。但超聲波功率超過一定范圍后，鍍層中SiO2含量降低，鍍層表面形貌也隨之變差，導致耐蝕性下降。當超聲波功率為240 W 時，鍍層表面形貌和耐蝕性相對最好，該鍍層適合應用在屏蔽罩上，有望進一步改善屏蔽罩的耐蝕性。