王星星, 雷衛寧

(1.江蘇工業學院機械與能源工程學院,江蘇常州 213016;2.江蘇技術師范學院機械工程學院,江蘇常州 213001）

超臨界條件下溫度和壓力對電鑄鎳的影響

王星星1,2, 雷衛寧2

(1.江蘇工業學院機械與能源工程學院,江蘇常州 213016;2.江蘇技術師范學院機械工程學院,江蘇常州 213001）

在超臨界條件下,溫度和壓力對微細電鑄鎳的實驗比較研究,得出超臨界二氧化碳微細電鑄鎳的最佳溫度和壓力分別是45℃和16 MPa,并獲得超臨界微細電鑄新工藝。

超臨界;溫度;壓力;電鑄鎳

0 前言

微電鑄是相對于常規電鑄工藝而確立的新概念,是針對微小結構(主要是微米/納米尺度結構）的加工技術,既可以看作是在微細加工模具基礎上的電鑄成型技術,也可以認為是掩膜電鍍在高深寬比方向發展的結果。

最近幾年,提高金屬和高分子材料表面特性的微細加工技術已經有所成就。Yoshida等[1]提出了在超臨界CO2(SCF-CO2）條件下,運用電鍍或者電鑄的方法進行表面加工。

CO2流體價格便宜,無毒、無害、容易回收,在溫度 Tc=31℃附近和相對壓力 Pc=7.3 MPa的超臨界條件下,可以作為超臨界流體[4]。SCF-CO2具有和氣體一樣的擴散性、高溶解度、低黏度、高表面張力等優點,已經被許多領域所采用,如:納米晶粒合成,表面膜制備[5-6]等領域。然而,將超臨界流體技術用于微細加工方面的研究還很少,尤其是在國內幾乎沒有這方面的報道。本文主要研究在超臨界條件下,溫度和壓力對電鑄鎳的實驗比較,得出SCF-CO2微細電鑄鎳的最佳溫度和壓力。

1 SCF-CO2電鑄原理

SCF-CO2電鑄是在電流存在下金屬沉積到金屬表面上的過程。由于金屬鹽一般不溶于 SCFCO2,通過添加表面活性劑,與電解液和 CO2構成了SCF-CO2三元體系,所以形成導電乳化液是電鑄反應的關鍵。實驗裝置,如圖1所示[3]。

圖1 超臨界CO2電鑄實驗裝置示意圖

實驗裝置中,高壓泵和溫控表提供SCF-CO2所需的壓力和溫度;磁力攪拌器提供形成超臨界乳化液所需的外部條件。在電鑄單元中,可根據需要,在電鑄結束后,通過回收裝置回收CO2,實現循環使用。

2 工作壓力和溫度的影響與分析

2.1 工作壓力

在 Kim等[2]進行超臨界電沉積鎳的基礎上通過實驗,我們研究發現:乳化液的電阻與壓力密切相關,圖2為壓力對乳化液電阻的影響。由圖2可知:在溫度為45℃,p H值為4.5的條件下,工作壓力從8 MPa升高到14 MPa時,體系電阻從46Ω降低到25Ω;工作作壓力從14 MPa升高到16 MPa時,體系電阻從25Ω降低到23Ω;但是,當壓力升到18 MPa時,電阻反而上升到25Ω。所以我們可以認為:整個過程中,最佳壓力值為16 MPa,此時,電阻最小,為23Ω。

圖2 壓力對乳化液電阻率的影響

圖3 溫度對乳化液電阻的影響

電阻與壓力的關系可以通過超臨界CO2中的溶解度來介紹,溶解度與電阻密切相關。溶解度 X與溫度 T和壓力 P的關系可用式(1）表示[2]:

式中:P＊表示飽和蒸汽壓。計算表明:當壓力接近臨界壓力7.3 MPa時,溶解度快速增大;當壓力從7.4 MPa增加到16 MPa時,溶解度緩慢增加;當壓力超過16 MPa時,溶解度稍微下降。由此可見:在超臨界條件下,溶解度隨壓力的變化趨勢與電阻隨壓力的變化趨勢是相反的。

2.2 工作溫度

經過實驗研究,我們發現:超臨界CO2的溶解度與溫度也密切相關,而溶解度與乳化液的電阻有必然聯系,所以,乳化液的電阻與溫度必然密切相關。圖3為溫度對乳化液電阻的影響。

由圖3可知:在壓力為16 MPa,p H值為4.5的條件下,溫度為臨界溫度31℃時,鎳電解液、SCFCO2、表面活性劑所形成的乳化液的電阻為32Ω;當溫度分別升高到35℃和40℃時,乳化液的電阻分別降低至29Ω和24Ω;當溫度升高到45℃時,乳化液的電阻降低到23Ω;但是,當溫度升到50℃時,電阻升高到25Ω;之后再升高溫度,電阻繼續升高。這可能是由于在保持壓力恒定不變的情況下,升高溫度會使CO2流體密度減小,導致其流體密度與電解液密度的相差增大,從而造成乳化液不穩定。此外,當壓力低于13 MPa時,隨著溫度的升高,溶解度也在增大;但是當壓力大于13 MPa時,溶解度隨著溫度升高反而減小。也就是說,在超臨界乳化液中,高于臨界壓力的條件下,溫度與溶解度關系更加明顯。實驗結果表明:體系的最佳溫度為45℃,此時鎳電解液、SCF-CO2和表面活性劑所形成的乳化液的電阻最小,分散狀態最好。

3 結論

綜上所述,我們可以得出:在超臨界CO2乳化液中,電鑄鎳的最佳溫度和最佳壓力分別是45℃和16 MPa。

[1] Yoshida H,Sone M,Mizushima A,et al.Application of emulsion of dense carbon dioxide in electroplating solution with nonionic surfactants for nickel electroplating[J].Surface and Coatings Technology,2003,173(2）:285-292.

[2] Kim J R,Kim H K,Kyong J B.Solubilities of naphthalene in supercritical fluids[J].Korean Chem Soc,1988,32:311-316.

[3] 雷衛寧.超臨界流體微細電鑄成型工藝及其裝置:中國,101 092 716[P].2007-12-26.

[4] 韓布興.超臨界流體科學與技術[M].北京:中國石化出版社,2005:186-193.

[5] 屠振密,李寧,胡會利,等.電沉積納米晶材料技術[M].北京:國防工業出版社,2008:8-19.

[6] 楊建明,朱荻,雷衛寧.電沉積法制備納米晶材料的研究進展[J].材料保護,2003,36(4）:1-4.

Influence of Temperature and Pressure on Electroformed Nickel under Supercritical Conditions

WANG Xing-xing1,2, LEI Wei-ning2
(1.College of Mechanical and Energy Engineering,Jiangsu Polytechnic University,Changzhou 213016,China;2.College of Mechanical Engineering,Jiangsu Teachers University of Technology,Changzhou 213001,China）

An experimental comparison study of temperatures and pressures on fine electroformed nickel was conducted was investigated under supercritical conditions.The results show that the optimal temperature and pressure for supercritical carbon dioxide micro-electroforming nickel are 45℃and 16 MPa respectively.On this basis,a new process for supercritical micro-electroforming is obtained.

supercritical;temperature;pressure;electroformed nickel

TQ 153

A

1000-4742(2010）02-0014-03

國家自然科學基金項目(50875116）;江蘇省自然科學基金項目(BK2006043）

2009-11-09

·電 鍍·