鋁基碳化硅復(fù)合材料表面鍍金前處理工藝探討

侯文斌，彭 勇，殷金周，馮銀雪

(航天南湖電子信息技術(shù)股份有限公司，湖北 荊州 434000)

0 前 言

鋁基碳化硅(AlSiC)復(fù)合材料由于具有高比強度和比剛度、低膨脹系數(shù)、低密度、良好的導(dǎo)熱性以及耐磨等優(yōu)異的力學(xué)性能和物理性能廣泛應(yīng)用于航空航天、電子、軍事等領(lǐng)域[1-5]。目前國內(nèi)AlSiC 復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于雷達(dá)T/R 組件和封裝盒體上[6]，但是AlSiC復(fù)合材料中SiC 顆粒填充量在60%以上，采用常規(guī)鋁合金鍍金工藝無法制備出結(jié)合力和可焊性良好的金鍍層[7]。因此本工作通過敏化、活化的方式實現(xiàn)鋁基碳化硅(AlSiC)復(fù)合材料表面異種元素催化活性點的均一性，結(jié)合酸性化學(xué)鍍鎳自催化反應(yīng)實現(xiàn)鋁基碳化硅表面金屬化，在此基礎(chǔ)上進行電鍍金以制備鋁基碳化硅表面結(jié)合力和焊接性均良好的鍍金層。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗材料:鋁基碳化硅(AlSiC)復(fù)合材料，其中SiC粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%，鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，樣件尺寸為38.0 mm×15.0 mm×1.8 mm。

試驗藥品:電鍍藥品和除油劑均為正常商業(yè)途徑購買的市售商品，氫氧化鈉、硝酸、氫氟酸、鹽酸、氯化亞錫、氯化鈀和化學(xué)鍍鎳所用藥品均為分析純化學(xué)試劑。

1.2 試驗工藝

本工作采用敏化和活化的方式使AlSiC 表面形成異種元素均勻的催化中心，然后結(jié)合化學(xué)鍍和電鍍制備外觀顏色一致、鍍層均勻、結(jié)合力和可焊性良好的金表面層，且工藝穩(wěn)定，工序簡單易操作。

基本工藝流程為:除油→堿洗→超聲波水洗→酸洗→敏化→活化→化學(xué)鍍鎳→電鍍金。

(1)除油 利用除油劑乳化作用和皂化作用除去工件表面油污，采用市售DS-1123 除油劑按照體積比DS-1123 除油劑∶水＝1 ∶20 配制。

(2)堿洗 通過堿洗除去表面氧化物，增加零件比表面積，有利于通過形成鍍層與基材的機械咬合來提高結(jié)合力。堿洗槽液按照質(zhì)量比氫氧化鈉(分析純) ∶水＝1 ∶9 配制。

(3)超聲波水洗 用去離子水進行超聲波水洗，除去工件表面掛灰和孔隙間的氧化物，超聲波頻率為

40 kHz。

(4)酸洗 進一步除去超聲波清洗未清除徹底的掛灰和金屬雜質(zhì)，為敏化提供了活化表面。酸洗液按照體積比硝酸(分析純) ∶氫氟酸(分析純) ∶水＝10 ∶1 ∶9配制。

(5)敏化 稱取適量體積鹽酸(分析純)加至1 L燒杯中，然后稱取氯化亞錫(SnCl2)1 g 加至燒杯中，加少量去離子水?dāng)嚢枞芙猓耆芙夂蠹尤ルx子水至1 L，混合均勻。為防止Sn2+氧化成Sn4+，溶液中可加入幾顆錫粒；鹽酸體積為2 ～5 mL，敏化時間為(10±2)min，敏化溫度為(25±5) ℃。

(6)活化 稱取適量體積鹽酸(分析純)加至1 L燒杯中，然后稱取氯化亞錫(SnCl2)0.2 g 加至燒杯中，加少量去離子水?dāng)嚢枞芙猓耆芙夂蠹尤ルx子水至1 L，混合均勻；鹽酸體積為2 ～10 mL，活化時間為(60±5) s，活化溫度為(25±5) ℃。

(7)化學(xué)鍍鎳 向1 L 燒杯中加400 mL 去離子水，然后依次添加30 g 氯化鎳、10 g 次亞磷酸鈉、10 g醋酸鈉和10 g 檸檬酸鈉，攪拌至完全溶解，再加去離子水將溶液補充至1 L，混合均勻，加熱至(88±3)℃待使用；化學(xué)鍍鎳時間為(35±5) min。

(8)電鍍金 向設(shè)置好加熱器和攪拌裝置的鍍槽內(nèi)添加5100 型鍍金開缸劑，然后加入含金量6 g 的氰化亞金鉀，充分?jǐn)嚢柚镣耆芙?，測定pH 值5.8 ～6.2，比重在1.15～1.19 g/cm3，加熱至63 ℃待使用，電流密度0.2 A/dm2，電鍍時間為(15±2) min。

1.3 性能測試

利用JSM-6510LV 掃描電子顯微鏡和INCAx-act能譜儀對鋁基碳化硅鍍金層的微觀形貌及元素進行分析。按照SJ 20130-1992 第5.2 項相關(guān)規(guī)定進行熱震試驗，即把鍍金完成后的試樣放置在300 ℃的加熱臺上烘烤30 min，然后取出放入室溫水中驟冷，目視檢查鍍層是否脫落、起泡，必要時借助10 ～20 倍顯微鏡觀察。按GB/T 16745-1997 規(guī)定，采用CBS-500 可焊性試驗裝置用金錫焊接的方式來驗證試樣表面鍍層的可焊性。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

該試驗過程前處理工序的清洗要徹底，否則在敏化和活化工序會因為孔隙間的殘留掛灰影響鍍層與基材的結(jié)合力。敏化和活化過程中鹽酸含量不宜太高，因為較高的鹽酸濃度會使鋁基溶解，從而導(dǎo)致鍍層與基材的結(jié)合力不良。圖1 為鍍金層掃描電子顯微鏡形貌。經(jīng)該工藝試驗可發(fā)現(xiàn)，鋁基碳化硅復(fù)合材料鍍金后顏色均勻一致，鍍金層均勻致密。

圖1 鍍金層SEM 形貌Fig.1 SEM morphology of gold coatings

經(jīng)高溫350 ℃烘烤30 min 后鍍金層不變色，隨即將烘烤后的產(chǎn)品置入室溫水中驟冷后吹干，鍍金層無起皮和起泡現(xiàn)象，如圖2 所示。

圖2 高溫烘烤后鍍金件表面狀態(tài)Fig.2 Surface condition of gold coatings after high temperature baking

在電子顯微鏡下觀察鍍層與基材之間的結(jié)合情況，如圖3 所示。可以發(fā)現(xiàn)鍍鎳層與鋁基碳化硅基材之間結(jié)合良好，鍍層厚度均勻連續(xù)，鍍層覆蓋完整，在此表面上采用金錫焊料進行金錫焊接試驗，焊料潤濕性良好，平滑無隆起。

圖3 鋁基碳化硅鍍金區(qū)截面形貌Fig.3 AlSiC section morphology of gold-plated area

2.2 前處理工序?qū)﹀儗咏Y(jié)合力的影響

本試驗所用鋁基碳化硅(AlSiC)復(fù)合材料為熔融金屬鋁熔液注入SiC 素坯預(yù)制而成。其中鋁為兩性活潑金屬，能溶于酸和堿，在酸堿溶液中極不穩(wěn)定，且對氧具有高度的親和力，極易生成氧化膜，并且這層膜一經(jīng)除去又會在極短的時間里生成；SiC 顆粒為無機非金屬材料，在酸、堿溶液中均不反應(yīng)，將其填充在鋁基碳化硅復(fù)合材料內(nèi)會導(dǎo)致材料表面的不連續(xù)性和其部分非金屬特性。堿洗和酸洗可以有效增加鋁基材表面機械咬蝕點，進而提高鋁基碳化硅復(fù)合材料表面與鍍層之間的結(jié)合力，但是前處理堿洗過程中容易在腐蝕晶界處和SiC 顆粒周圍形成毛細(xì)空洞[8]，該工序產(chǎn)生的掛灰極易殘留在空洞中導(dǎo)致表面粗糙且結(jié)合力差，并且在后續(xù)酸洗過程中很難徹底除去露出潔凈的結(jié)晶結(jié)構(gòu)。通過在堿洗工序后增加超聲波水洗，利用超聲空化作用產(chǎn)生的微氣泡和機械振動可以有效除去殘留的掛灰，得到細(xì)致均勻的活化表面，有利于孔隙間氣體的排除，提高鍍層與基材之間的結(jié)合力[9]。試驗表明，超聲波時間越長，堿洗過程產(chǎn)生的掛會清洗更徹底，鍍層表面更均勻，鍍層與基體表面結(jié)合力更好。表1 為超聲清洗時間對鍍層結(jié)合力的影響。

表1 超聲波清洗時間對鍍層結(jié)合力影響Table 1 Influence of ultrasonic cleaning time on binding force of coating

2.3 敏化和活化對鍍層結(jié)合力的影響

敏化作用可以在工件表面吸附一層液膜，在其后清洗時，由于pH 值升高，亞錫鹽水解成凝膠狀物質(zhì)均勻地吸附在工件表面，后續(xù)通過鈀鹽活化作用，吸附在工件表面的亞錫離子，把活化劑的金屬離子還原成金屬鈀粒子，形成均勻、一致的催化活化中心，保證化學(xué)鍍順利進行[10]。鹽酸作為敏化和活化溶液的主要成分，對金屬鋁有較強的溶解性，隨著鹽酸濃度的增加，鋁被迅速腐蝕，碳化硅顆粒沒有明顯變化，容易造成鋁基碳化硅表面粗糙多孔和生成“毛刺”，金屬鈀粒子容易出現(xiàn)不均勻的“富集”現(xiàn)象，隨著化學(xué)置換鍍鎳進行，被包裹在里層的鈀粒子表面迅速沉積鎳原子，導(dǎo)致鍍金層結(jié)合力差以及高溫烘烤后鍍層表面出現(xiàn)黑色斑點，敏化和活化液中不同鹽酸濃度對鍍層結(jié)合力的影響如表2 所示。通過能譜儀對金層表面進行元素分析可以發(fā)現(xiàn)，鋁基碳化硅表面為均勻致密的鎳金層(如圖4 所示)。

表2 敏化和活化液中不同鹽酸濃度對鍍層結(jié)合力的影響Table 2 Effect of different concentration of HCl in sensitization and activation solution on adhesion of coating

圖4 金層表面EDS 能譜Fig.4 EDS spectra of gold coatings surface

3 結(jié) 論

通過合理設(shè)置堿洗、超聲波水洗和化學(xué)酸洗等前處理工序，能夠方便且快速的除去鋁基碳化硅表面的氧化物和工件表面孔隙間的雜質(zhì)和掛灰，同時增大鋁基碳化硅材料表面的比表面積，使基材與鍍層之間獲得良好的結(jié)合力，采用敏化和活化實現(xiàn)鋁基碳化硅材料表面異種元素自催化中心原子的均一性，再通過化學(xué)沉鎳實現(xiàn)鋁基碳化硅表面金屬化，通過電鍍金所制備的鋁基碳化硅表面的鍍金層經(jīng)歷350 ℃高溫烘烤后，鍍層結(jié)合力良好，無鍍層變色、起皮和起泡現(xiàn)象。金錫焊料在所制備的金層表面潤濕性良好。該工藝技術(shù)操作簡單、方便，工藝穩(wěn)定，對實際生產(chǎn)具有較強的指導(dǎo)意義。