電鑄制備鎳銅合金電熱組件試驗(yàn)研究

謝 龍，謝迪凡，胡 凱，苗培仁，朱 權(quán)，劉 壯

（ 1. 江陰市輝龍電熱電器有限公司，江蘇無(wú)錫 214401；2. 江蘇省柔性電加熱器工程技術(shù)研究中心，江蘇無(wú)錫 214401；3. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

陶瓷基板電熱組件是一種中低溫電熱組件，具有升溫快、無(wú)明火、絕緣性好、發(fā)熱均勻等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信、 醫(yī)療衛(wèi)生、 工農(nóng)科技等需低溫加熱場(chǎng)合。 傳統(tǒng)的電熱合金至今仍得到廣泛的使用[1]，隨著科技的發(fā)展，新興的電熱材料不斷產(chǎn)生，采用不同生產(chǎn)工藝制作的電熱組件的種類也越來(lái)越多。

劉樹(shù)等[2]對(duì)電熱陶瓷磚的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了分析， 該瓷磚使用電熱膜或電熱板與陶瓷基板及聚氨酯保溫板復(fù)合制成， 使用溫控器可對(duì)該電熱陶瓷磚實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度控制。 吉旖[3]使用炭系電熱涂料制備了層狀復(fù)合電熱陶瓷， 該陶瓷使用炭系電熱涂層作為電熱元件， 采用紅外成像的方式分析了電熱涂層表面及電熱陶瓷表面發(fā)熱溫度場(chǎng)， 并總結(jié)了該層狀復(fù)合電熱陶瓷的熱穩(wěn)定性和可靠性， 有望在未來(lái)應(yīng)用于室內(nèi)采暖領(lǐng)域。 但是，目前存在的不足是，傳統(tǒng)金屬膜發(fā)熱陶瓷是采用陶瓷材料制作電熱組件的基體，使用金屬膜、金屬絲作為發(fā)熱元件，采用金屬-陶瓷共燒技術(shù)制備[4]，陶瓷發(fā)熱片的電熱元件制備工藝效率低、時(shí)間成本高，且常用的電阻漿料市價(jià)昂貴，阻礙了陶瓷發(fā)熱片的推廣應(yīng)用。

電鑄技術(shù)由于加工精度高，可應(yīng)用于成形復(fù)雜零件，被廣泛應(yīng)用于兵器制造、醫(yī)療器械、航空航天、精密儀器等領(lǐng)域[5-7]。 為提高生產(chǎn)效率、降低加工制造成本，本文開(kāi)展了鎳銅合金電鑄制備陶瓷基體電熱組件的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，為進(jìn)一步應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

圖1 是開(kāi)展電鑄試驗(yàn)使用的裝置與樣件，試驗(yàn)裝置主要由磁力攪拌器、水浴加熱裝置、溫度傳感器等組成，試驗(yàn)樣件為氮化鋁陶瓷基板。 在陶瓷基板上進(jìn)行電鑄試驗(yàn)前需對(duì)表面進(jìn)行導(dǎo)電化處理，處理流程包括基體預(yù)處理、導(dǎo)電漿料配置、基體的涂料和烘干。

圖1 電鑄試驗(yàn)裝置與樣件

表1 是在氮化鋁陶瓷基體上開(kāi)展鎳銅合金電鑄試驗(yàn)的電鑄液配方與試驗(yàn)參數(shù)。 按照配方配制電鑄液，分別采用不同電鑄液溫度、不同電流密度進(jìn)行試驗(yàn)制備鎳銅合金電熱元件鑄層，分析鑄層晶粒尺寸與鑄層材料的熱膨脹系數(shù)。

表1 電鑄液配比及工藝參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 電鑄液溫度對(duì)電鑄結(jié)果的影響

圖2 是在不同電鑄液溫度下得到的鎳銅鑄層X(jué)射線衍射譜圖。 分析可知，不同的電鑄液溫度對(duì)最終電鑄結(jié)果的相結(jié)構(gòu)沒(méi)有影響，所得鑄層均為面心立方鎳銅合金，鑄層的X 射線衍射圖譜都在衍射角為44.5～45.0 ℃間出現(xiàn)了明顯的衍射峰， 該結(jié)果和Ni（111）晶面衍射峰出現(xiàn)位置較精確地吻合。在約為51.7 ℃處出現(xiàn)的衍射峰則與鎳銅合金（200）衍射峰位置相對(duì)應(yīng)，以及Ni（220）衍射峰均出現(xiàn)在上述鑄層的XRD 圖譜上。

圖2 不同電鑄液溫度下鑄層的X 射線衍射曲線

對(duì)圖2 所示不同電鑄液溫度下制備的鎳銅合金鑄層X(jué) 射線衍射圖進(jìn)行高斯擬合，通過(guò)擬合獲得不同電鑄液溫度下制備的鑄層X(jué) 射線衍射圖譜主要衍射峰的半衍射角θ 及半高寬β 參數(shù)的值， 由下式計(jì)算得晶粒尺寸：

式中：K 為常數(shù)；λ 為X 射線波長(zhǎng)，取值0.154 nm。然后對(duì)每種電鑄液溫度下制備的合金鑄層X(jué) 射線衍射圖譜的主要衍射峰的計(jì)算結(jié)果取算術(shù)平均值，即得每種電鑄液溫度下制備的鎳銅合金鑄層的平均晶粒尺寸變化規(guī)律，如圖3 所示。 由圖可知，整體上鎳銅合金鑄層的平均晶粒尺寸隨著電鑄液溫度的升高呈增大趨勢(shì)，但當(dāng)電鑄液溫度為55 ℃時(shí)，鑄層的晶粒尺寸卻出現(xiàn)大幅減小。

圖3 不同電鑄液溫度下的鑄層晶粒尺寸

結(jié)合圖4 中合金鑄層電阻率隨晶粒尺寸的變化規(guī)律可知，導(dǎo)致鎳銅合金鑄層的晶粒尺寸在55 ℃時(shí)減小的原因可能是隨機(jī)誤差。 對(duì)于圖3 所顯示的變化規(guī)律，原因分析如下：根據(jù)金屬電子理論可知，電子的散射是金屬產(chǎn)生電阻的根本原因[8]，而在金屬的晶界中存在著大量面缺陷[9]，大幅增加晶界的總面積。 金屬的晶界可以看作由大量晶體缺陷和雜質(zhì)組成的隔離層，并作為電子傳輸過(guò)程中的散射中心，從而增加更多的散射并增大電阻[10]。 由于晶粒尺寸改變主要對(duì)晶界數(shù)量產(chǎn)生影響，晶粒尺寸越大晶界就越小，電阻率就越小。 因此，電鑄制備的鎳銅合金鑄層電阻率與晶粒尺寸間的變化規(guī)律在單晶和晶粒尺寸無(wú)限小的情況下不適用，僅適用于一定范圍內(nèi)的晶粒尺寸。又根據(jù)于梅花等[11]的研究結(jié)果，金屬電阻率與有效電子自由程顯著相關(guān)，并且有效電子自由程在晶粒尺寸較小時(shí)有可能會(huì)突變，產(chǎn)生可能的隨機(jī)誤差。

圖4 不同晶粒尺寸下的鑄層電阻率

2.2 電流密度對(duì)電鑄結(jié)果的影響

由于鎳的標(biāo)準(zhǔn)電極電位較銅負(fù)，表現(xiàn)得更為活潑，在電鑄過(guò)程中電流密度的增加會(huì)增大鑄層中較活潑金屬的含量，故鎳傾向于在較高的電流密度下沉積，而銅傾向于在較低的電流密度下沉積，這就導(dǎo)致銅鎳合金鑄層中銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨電流密度的增大而逐漸減小， 鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨電流密度的增大而逐漸增大。 鎳銅合金鑄層中銅與鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化可以反映電流密度的作用， 合金鑄層的電阻率大小也會(huì)隨之變化。

圖5 是鎳銅合金鑄層的電阻率隨電流密度的變化曲線，可見(jiàn)電阻率隨電流密度的增大而增大。這是由于當(dāng)電流密度較低時(shí)，金屬晶核形成速率小，只有少量的晶體長(zhǎng)大，合金鑄層也因此結(jié)晶粗大；隨著電流密度的增大，加快了晶核的形成速率，合金鑄層結(jié)晶細(xì)致均勻，晶界總面積增大，電子穿過(guò)晶界所遇到的阻力越大，鎳銅合金鑄層的電阻率隨之增大。

圖5 不同電流密度的鑄層電阻率

材料的組成是決定線膨脹系數(shù)的主要因素，在進(jìn)行電鑄制備陶瓷片鎳銅合金電熱元件時(shí)， 電流密度會(huì)顯著影響鎳銅合金電鑄層中鎳的含量， 進(jìn)而影響鎳銅合金電鑄層的線膨脹系數(shù)。 圖6 是在不同電流密度下電鑄制備的鎳銅合金電熱元件熱膨脹系數(shù)趨勢(shì)圖， 通過(guò)趨勢(shì)可以擬合并計(jì)算出平均線膨脹系數(shù)。

圖6 不同電流密度下鎳銅合金電熱元件熱膨脹系數(shù)趨勢(shì)圖

通過(guò)計(jì)算各電流密度下的平均線膨脹系數(shù)，繪制不同電流密度下鎳銅合金電熱元件的平均線膨脹系數(shù)隨電流密度的變化趨勢(shì)， 如圖7 所示。 由圖可知， 通過(guò)電鑄制備的鎳銅合金的線膨脹系數(shù)會(huì)隨鑄層中鎳含量的升高而降低， 電鑄層的組織微觀結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。隨著電流密度增加至極限值之前，晶核形成的速度會(huì)加快， 最終形成的鑄層結(jié)晶細(xì)致且均勻， 從而使制備的鎳銅合金電鑄層線膨脹系數(shù)減小。導(dǎo)電漿料是陶瓷基板導(dǎo)電層的電阻漿料，同時(shí)起到陶瓷基板與鎳銅合金電熱元件兩相粘結(jié)的作用，試驗(yàn)采用的電阻漿料熱膨脹系數(shù)為13.1×10-6/℃，這與試驗(yàn)中電流密度2.5 A/dm2下鎳銅合金電熱元件熱膨脹系數(shù)較接近。 陶瓷基板主要是氮化鋁陶瓷和氧化鋁陶瓷， 這兩種陶瓷材料常規(guī)的線膨脹系數(shù)為4.5×10-6/℃和8.6×10-6/℃，這與鎳銅合金鑄層的線膨脹系數(shù)均在同一量級(jí)，符合作為氮化鋁陶瓷基板上發(fā)熱元件的熱膨脹特性要求。 后續(xù)工作中，還可以進(jìn)一步優(yōu)化熱膨脹系數(shù)性能，從而提高電鑄制備的陶瓷發(fā)熱片電熱元件的使用壽命。

圖7 鎳銅合金鑄層的熱膨脹系數(shù)隨電流密度的變化規(guī)律

3 結(jié)論

本文在陶瓷基板上進(jìn)行了電鑄制備鎳銅合金電熱元件的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）鎳銅合金電鑄層的平均晶粒尺寸隨電鑄液溫度的升高而增大，電阻率隨晶粒尺寸的增大而減小，線膨脹系數(shù)隨鑄層中鎳含量的升高而降低。

（2）根據(jù)金屬電子理論，晶粒尺寸主要對(duì)晶界數(shù)量產(chǎn)生影響，晶粒尺寸越小，晶界總面積相應(yīng)越大，從而增加更多的電子散射，進(jìn)而增大電阻。

（3）材料的組成是決定線膨脹系數(shù)的主要因素，電流密度會(huì)顯著影響鎳銅合金電鑄層中鎳的含量，進(jìn)而影響鎳銅合金電鑄層的線膨脹系數(shù)。