空心陶瓷粉体表面化学镀工艺研究

空心陶瓷粉体表面化学镀工艺研究

1金属基复合材料材料空心陶瓷粉作为一种新型填充材料，近年来引起了人们的关注。其优异的隔热性、高强度、高耐磨性、流动性、储氢能力使其应用于保温、耐火高分子复合材料、金属基复合材料等各个领域。空心陶瓷粉体表面包覆金属改性后,被赋予了新的电磁性能,可用作电磁屏蔽、雷达波吸收和红外伪装材料的填料,而且填料表面金属化还是改善填料与金属基体之间的润湿性,增强金属基复合材料界面结合强度的有效途径。本文提供了空心陶瓷粉体表面化学镀镍的方法,重点考察了粗化等前处理工艺和化学镀工艺中与润湿性相关的问题,这对于空心陶瓷粉体粗化等处理过程的质量监控,以及研究金属-空心陶瓷复合粉体在涂料或复合材料工艺中的分散性和粘结强度等问题具有指导意义。2实验2.1红外光谱测试空心陶瓷粉体:主要成分为SiO2和Al2O3,为中空结构,颜色灰白,粒径范围为5~75μm,经测定,粉体的颗粒密度约为0.22g/cm3。NEXUS傅立叶变换红外光谱仪:美国尼高力公司生产,漫反射法测试。XSP-8C金相显微镜:上海光学仪器厂生产,用于观察镀层表面形貌。2.2前处理前处理实验采取的工艺路线为:除油→粗化→敏化→活化→还原→化学镀。前处理工序各步骤所采用处理液的实验配方及处理时间见表1。2.3空心陶瓷粉体的镍磷镀后密度的测定采用自制的酸性化学镀液,实验原料包括:20g/L硫酸镍、24g/L次磷酸钠、琥珀酸、氨基乙酸、苹果酸、醋酸铅、氟化钠等。将经过前处理的空心陶瓷粉体放入配制好的镀液中,间歇振荡搅拌,80℃反应约15min,反应过程中滴加0.5mol/L的NaOH溶液调节反应体系的pH。反应结束后,冷却,洗涤,干燥,即得(灰)黑色均匀分散的镍磷合金包覆空心陶瓷粉体(见图1)。测得镀后粉体颗粒的密度约为0.85g/cm3。ofNi-hollowceramicpowder2.4相的表面张力和t-h模型根据Washburn导出的润湿相在理想的平滑毛细管中流动的动力学方程,当毛细管垂直时,有式中:h—润湿相在毛细管中上升的高度(cm);γ—润湿相的表面张力(dyn/cm);θ—润湿接触角,取值范围为0~180°,通常θ越小,润湿性越好;η—润湿相的粘度(mPa·s);r—等效毛细管半径(cm);t—上升时间(s)。作t-h2的关系图(详见图3至图5),拟合可得一条近似的直线,并可得斜率k,又k=2η/(γrcosθ),从而可知:斜率k值越小,θ越小,则润湿性就越好。本文采用透过高度法对空心陶瓷粉体处理前后润湿性能的变化进行了测量和比较,润湿相分别为蒸馏水和无水乙醇。3扩展的倾向润湿是一种界面现象,一般指表面上一种液体取代固体表面空气并在固体表面扩展的趋向。在固液反应中,只有液体能够在固体表面铺展、润湿,化学反应才能快速进行;同样,在复合材料的加工过程中,只有作为流动相的基体树脂能够很好的润湿填料,填料才能均匀分散到连续相中,并与基体获得良好的结合。3.1空心陶瓷粉体的润湿性非金属材料表面化学镀前,都必须经过一系列的前处理过程。前处理特别是粗化处理质量,直接影响镀层与基材的结合强度,但目前尚无相关质量检测的方法。傅里叶红外漫反射光谱测试结果表明,采用本文粗化液处理的空心陶瓷粉体因表面粗糙度增加而比未粗化的粉体具有更高的红外漫反射率(见图2),同时蒸馏水在粉体表面的润湿性明显提高。图3~5分别为粗化时间、粗化工艺、不同处理阶段对湿润性的影响。未粗化处理的空心陶瓷粉体表面较光滑,为疏水性表面,粗化后粉体表面粗糙度增大而呈亲水表面。根据粗糙表面润湿接触角θλ和理想光滑表面润湿接触角θ之间的关系:式中λ为粗糙表面表面积Aλ与理想光滑表面表面积A的比值,通常λ≥1。当θ<90°时,增加表面粗糙度可改善润湿性,且θ越小,通过增加表面粗糙度来改善润湿性的效果越好。从理论上讲,粗化程度越大,表面粗糙度越大,润湿性越好。但实验结果表明:随着粗化时间延长,表观润湿性先增大后减小。经分析推测:当粗化时间超过10min后,易产生过度粗化引起粉体表面出现孔洞,这时,由于蒸馏水进入空心陶瓷空腔内而使润湿液面上升速度下降,引起表观润湿性下降。因此通过考察粗化时间与润湿性之间的关系可知,应将粗化时间控制在润湿性开始下降之前,以避免过度粗化。3.2二烷基硫酸钠水溶液的表面张力在化学镀镍过程中镍盐被还原析出的同时要产生氢气,氢气在镀层表面滞留,被镀层遮盖而产生气孔,气孔是镀层与基材的结合强度下降的重要原因,同时引起氢脆腐蚀。在空心陶瓷粉体表面化学镀工艺始终处于大的载荷比条件下进行,氢气的生成速度很快,因此避免氢气在镀层表面的滞留尤为重要,为此本化学镀镍工艺中加入了润湿剂(主要是十二烷基硫酸钠等阴离子型表面活性剂),采用滴重法测定不同质量浓度十二烷基硫酸钠水溶液的表面张力(见表2)。由表2知,十二烷基硫酸钠的加入可以有效降低镀液(一般指水)的表面张力,使空心陶瓷粉体的固/气界面更容易被固/液界面代替,粉体表面易被润湿。但化学镀液中润湿性添加剂的用量不宜过多,一般控制在0.05g/L以内。表面活性剂可有效加速氢气析出,同时控制镀速、调整镀层含磷量。3.3表面sg-sl实验还对敏化、活化和还原后的粉体的润湿性进行了考察,结果表明润湿性没有明显变化(见图5)。空心陶瓷粉体表面化学镀镍后,其红外光谱中位于3600~3900cm-1波数范围内有较强的水吸收谱峰(见图2),表现出强烈的吸湿性,润湿性有进一步的提高(见图5)。同时根据液体在固体界面上平衡时,润湿接触角与固/气、固/液、液/气界面自由能之间的关系:由于镀覆后粉体表面为镍金属表面,表面能γSG有较大提高,则粉体与液体润湿相之间的粘附功(γSG-γSL)大大增加,因而容易克服液体润湿相内部间的内聚功(2γLG),达到良好的润湿效果。预处理过程之中粗化和化学镀两步骤是提高材料表面润湿性能的主要过程。4空心陶瓷粉体的改性(1)在粗化、敏化、活化和还原等前处理过程和化学镀过程中,粗化和化学镀两步骤是提高材料表面润湿性的有效途径,有利于空心陶瓷粉体在复合材料中的应用。粗化是通过改