非金屬材料電鍍技術的應用

劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

非金屬材料電鍍技術的應用

劉仁志

(武漢風帆表面工程有限公司，湖北武漢 430015)

隨著社會對技術創(chuàng)新需求的增長，以前主要用于裝飾性制品的非金屬電鍍技術，現(xiàn)在已經(jīng)成為重要的功能性鍍層電鍍技術，從而在現(xiàn)代制造中有了新的應用。特別是在現(xiàn)代電子產(chǎn)品制造中，以非金屬材料代替有色金屬材料將成為流行趨勢，而非金屬材料的電鍍，也就成為支持這種材料變化的重要的電鍍技術。介紹了非金屬電鍍在電子產(chǎn)品等結構材料中的應用情況。

非金屬;電子制造;電子電鍍

引 言

最先成功應用于工業(yè)化生產(chǎn)的非金屬電鍍技術是ABS塑料電鍍技術。這一技術早期的應用主要是裝飾性電鍍產(chǎn)品。塑料電鍍由于工藝過程過于復雜而又欠穩(wěn)定，使其應用受到一定限制。隨著電鍍技術的進步，解決了從粗化、活化到化學鍍等各關鍵工序的溶液穩(wěn)定性并使生產(chǎn)效率大大提高以后，塑料電鍍技術的應用有了很大增長。特別是其他非金屬材料在產(chǎn)品結構中應用的增加，從家用電器產(chǎn)品到汽車裝飾配件、從建筑裝飾到衛(wèi)浴產(chǎn)品;從裝飾性用途到功能和工程性用途等等，使非金屬電鍍技術獲得了較為廣泛的應用［1］。

隨著資源節(jié)約和環(huán)境友好理念的普及，非金屬材料在現(xiàn)代制造中的應用有所增長，從而使非金屬電鍍技術重新又受到重視。特別是在工程和功能性方面的應用，已經(jīng)成為不少塑料樹脂類產(chǎn)品的重要表面處理手段。例如印制線路板的電鍍就是典型的非金屬電鍍技術功能性應用的實例。同時，在非金屬表面導電、電磁屏蔽、抗渦流、導磁及導波等方面應用的例子也不少。更多的產(chǎn)品開發(fā)者在考慮利用非金屬電鍍技術來創(chuàng)新產(chǎn)品和提升產(chǎn)品的性能。本文將以電子產(chǎn)品結構材料變化情況為例，對非金屬電鍍技術的應用情況加以介紹，以供電鍍界同仁參考。

1 非金屬電鍍在通訊電子產(chǎn)品中的應用

1.1 在波導產(chǎn)品中的應用

波導是微波通信系列產(chǎn)品中重要的結構件之一。如果將電阻率作為一個重要參數(shù)來選取微波產(chǎn)品的制作材料，早期采用最多的是銅材電鍍銀層。但是銅材有質量比較大的缺點，于是又發(fā)展以鋁材做腔體等的技術。鋁的導電性能比起銅來要差許多，如果根據(jù)理想狀態(tài)來分析，用鋁應該是不很恰當?shù)?，但是實際上現(xiàn)在微波器件的結構材料大量采用了鋁合金。這是因為微波的傳導特性是在材料的表面及其表面附近的空間(所謂趨膚效應)［2］。特別是進入超高頻波時代，這種趨勢更為明顯，從而可以采用其它質量輕而又成型容易的材料來制造波導，關鍵是要在其表面獲得有良好導波性的銀或銅鍍層。在非金屬電鍍技術開發(fā)以后，這就使采用樹脂復合材料制作波導成為可能。

美國很早就有關于采用復合材料制作高頻器件腔體的報道［3］，這是為了進一步減輕導彈電子系統(tǒng)的質量而采取的重要工藝改進措施。20世紀60年代，國外的高頻電子產(chǎn)品已經(jīng)采用了鑄鋁件腔體，而我國當時同類產(chǎn)品仍在采用銅制品，至今鑄鋁腔體還沒有進入全面應用階段，更不要說采用塑料制品，明顯地滯后于國際先進水平。

采用塑料制件替代鋁制件的另一個優(yōu)點是成本的降低和金屬資源的節(jié)省。根據(jù)美國當時提供的成本對比情況，以高頻電子產(chǎn)品腔體為例，其成本降低率可達30%左右，其對比結果見表1［3］。表1中所列數(shù)據(jù)為當時工藝水平下的價值，如果以今天有色金屬的價格和塑料加工水平提高的情況來看，這一比率還可以提高。

表1 鋁基制件和塑料制件成本對比

這項研究的結果表明，采用樹脂復合材料制作波導腔體經(jīng)電鍍后，性能可以滿足設計要求，其實驗情況見表 2［3］。

從以上分析可知，采用耐溫和高強度樹脂制作波導產(chǎn)品是完全可行的。樹脂玻璃纖維復合材料在我國通稱為玻璃鋼。這種材料上的電鍍工藝基本上是成熟的，其通用的電鍍工藝流程如下:

表面整理→清洗→化學粗化→清洗→清洗→敏化→清洗→蒸餾水洗→銀鹽活化→清洗→清洗→化學鍍銅→清洗→電鍍加厚→清洗→進行其它精飾或電鍍。

1.2 在陶瓷介質濾波器中的應用

隨著高頻段無線電波資源的開發(fā)應用以及移動通信產(chǎn)業(yè)和技術的迅猛發(fā)展，微波濾波器日益受到人們重視。為了適應現(xiàn)代電子產(chǎn)品越來越小的特征，以陶瓷為介質的輕薄型濾波器具有重要應用前景。因為微波介質陶瓷材料具有損耗低、頻率溫度系數(shù)小及介電常數(shù)高等特點，并且隨著微波介質陶瓷材料的不斷發(fā)展，性能不斷提高，由微波介質陶瓷材料制備成的濾波器具有性能可靠、插入損耗低、體積小及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，使得微波陶瓷介質濾波器在通訊產(chǎn)業(yè)發(fā)揮著越來越大的作用。根據(jù)微波陶瓷介質濾波器的設計原理，微波器件的成型工藝是器件制造過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用成型工藝進行凝膠注模成型(Gelcasting)。而關鍵則是要對制備的樣品按濾波器設計要求對外表面和孔徑表面進行鍍銀處理。

表2 樹脂波導產(chǎn)品試驗情況(參考美國軍標MIL-STD-202A)

而陶瓷電鍍與其他非金屬材料的電鍍一樣，重要的是粗化工序。這是獲得良好結合力鍍層的關鍵。針對陶瓷的主要成分是二氧化硅的情況，粗化液主要成分是氫氟酸。但是粗化處理前仍然必須進行必要的除油等處理。流程如下:

化學除油→清洗→酸洗→清洗→粗化→清洗→表面金屬化流程。

化學除油采用堿性除油?？梢圆捎脷溲趸c、碳酸鈉或磷酸鈉等任何一種或混合物以50～100g/L的質量濃度煮沸處理。

酸洗是為了中和堿洗中殘余的堿液，也是為粗化做準備。常用重鉻酸鹽與硫酸的混合液進行，組成如下:V［10%重鉻酸鉀(鈉)］∶V(硫酸)=1∶3。

配制時要將硫酸非常慢地滴加到重鉻酸鉀(鈉)的水溶液中，并充分攪拌，使溫度不要上升太快，最好外加水浴降溫，以策安全。

也可以在1L的硫酸中加入重鉻酸鉀(鈉)30g，比較安全。從環(huán)保的角度，現(xiàn)在可以不用重鉻酸鹽，完全采用V(H2O)∶V(H2SO4)=1∶1也是可以的。

酸洗操作均在常溫下進行，浸入時間以表面可以完全親水為標準。對于表面比較干凈的制品，可以只用10%的硫酸中和。

酸洗完成后，將制品清洗干凈就可以進行粗化處理。粗化是為了使表面出現(xiàn)有利于增強金屬鍍層與基體結合力的微觀粗糙，由于陶瓷的主要成分是二氧化硅，對其進行粗化的有效方法是使用氫氟酸。有以下反應發(fā)生:

SiF4是水溶性鹽，這樣僅用氫氟酸就可以獲得陶瓷表面粗化的效果。

粗化液的組成為:200mL/L氫氟酸(55%)，實際上氫氟酸的濃度還可以調整，時間不宜過長，以防出現(xiàn)過腐蝕現(xiàn)象。

由于氫氟酸對環(huán)境有污染，所以現(xiàn)在有改良的粗化法，就是在硫酸溶液中加入氟化物，取其同離子效應來進行粗化。相對氫氟酸對環(huán)境的危害要小一些。

陶瓷表面進行金屬化處理的方法和塑料表面的金屬化方法大同小異，完成粗化以后的陶瓷即可以進入以下流程:

敏化→清洗→蒸餾水洗→活化→清洗→化學鍍鎳或銅→清洗→電鍍加厚。

實踐證明，對陶瓷進行金屬化處理，采用膠體鈀活化和化學鍍鎳比較好，其流程為:

膠體鈀活化→回收→清洗→加速→清洗→化學鍍鎳→電鍍加厚。

由于陶瓷的粗化效果不同于塑料，其粘附敏化劑和活化劑的能力要低于塑料。而膠體鈀具有較好的粘附性能，因此，采用膠體鈀活化，效果會好些。同時，對于陶瓷來說，有比塑料高得多的耐高溫性能，采用鈀活化，可以采用高溫型化學鍍鎳，這對提高效率和質量都是有利的。

推薦的膠體鈀活化工藝的配方和操作條件如下:

0.5～1g/L 氯化鈀、10～20g/L 氯化亞錫、100～200mL/L 鹽酸、θ=20～40℃、t=3～5min。

2 非金屬電鍍在其他產(chǎn)品中的應用

2.1 導電纖維和布料

鍍銀纖維作為一種高性能功能纖維，其獨特的抗菌除臭、防電磁波輻射、抗靜電及調節(jié)體溫等功能受人矚目，現(xiàn)已應用于內(nèi)衣、家紡、特種服裝、醫(yī)療、體育及部隊裝備等領域。

還在20世紀，德國、以色列、美國就率先展開了在纖維上鍍銅、鎳、銀等金屬的研究，并開發(fā)出了相關產(chǎn)品。此后日本、俄羅斯、我國也相繼開始了這方面的研發(fā)，已經(jīng)有許多相關專利。目前，將鍍銀、鍍銅、鍍鎳纖維在防輻射紡織品及服裝上的應用已經(jīng)較為普遍，也有將鍍銀纖維用于內(nèi)衣、家紡及特種服裝，從而在醫(yī)療、體育、部隊裝備等領域應用。早在1999年，含有鍍銀纖維的日用品就已經(jīng)出現(xiàn)在日本東京的商店里，由于它具有保護人體健康的功能，頗受當?shù)叵M者的歡迎。據(jù)說用鍍銀纖維制作的褲子、內(nèi)衣和襪子等有抗菌和除臭效能。此外，用鍍銀纖維制成的外衣能夠幾乎百分之百地消除對人體有害的電磁波，是微波通信操作和維護人員的良好工作服用料。

由于銀具有優(yōu)良的導電性能和殺菌性能，使得鍍銀纖維具有抗靜電、防輻射及抗菌除臭的多種功能。獲得鍍銀纖維的方法主要有化學鍍、電鍍及真空鍍等技術和工藝。從環(huán)保的角度，真空蒸鍍、真空離子鍍和真空濺射等方法，被認為是在紡織材料表面實現(xiàn)金屬化最為理想的方法［4］。

2.2 汽車中的應用

在汽車追求輕量化而又豪華美觀發(fā)展過程中，塑料電鍍起到了至關重要的作用。從車門拉手、汽車商標、標徽、車內(nèi)飾、反光鏡、表盤裝飾、操作桿頭、方向盤裝飾及高級車輪殼罩等，都在大量采用塑料電鍍制品。

現(xiàn)在，除了汽車裝飾件，在汽車結構中采用復合樹脂材料越來越多。從而利用非金屬電鍍技術的產(chǎn)品也會越來越多。這是因為塑料類材料的成本比金屬材料要低得多，這對于讓汽車成為普通家庭的代步工具有重要意義。表3是設塑料成本值為1時，與其他金屬材料的比較?？梢钥闯鍪褂貌煌饘俨牧系某杀緸樗芰系?2.5～13.6 倍。

表3 塑料與其它金屬材料的成本比較

這種情況不僅在汽車業(yè)，在其他所有應用塑料替代金屬材料的行業(yè)，都是普遍存在的。這就為塑料電鍍的應用，提供了更為廣闊的前景。

如前所述，塑料電鍍是非金屬電鍍中最為成熟的技術。因此，采用塑料電鍍的產(chǎn)品將有增無減。

3 結語

以塑料電鍍?yōu)榇淼姆墙饘匐婂兗夹g，不僅在裝飾性電鍍，而且在電子電鍍、汽車電鍍等領域都是重要的電鍍技術。非金屬表面金屬化對提高產(chǎn)品綜合性能，降低產(chǎn)品質量和成本，支持新產(chǎn)品開發(fā)等方面都有明顯優(yōu)勢。隨著社會對產(chǎn)品創(chuàng)新需求的日益增長，非金屬材料在產(chǎn)品結構中的應用會越來越多，從而使非金屬電鍍技術有著更為廣泛的應用前景。

［1］ 劉仁志.非金屬電鍍與精飾［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006:5-14.

［2］ 劉仁志.電子電鍍技術［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2008:180.

［3］ 表面處理技術譯叢編譯組.貴金屬和稀有金屬電鍍［M］.上海:上海科學技術編譯館，1965:62-73.

［4］ 劉愛平，趙書林.導電纖維的發(fā)展與應用［J］.廣西紡織科技，2008，37(4):36-38.

Application of Technology for Electroplating on Nonmetallic Materials

LIU Ren-zhi
(Wuhan Fengfan Surface Engineering Co.，Ltd，Hubei Wuhan 430015，China)

With the increase in social demands for technical innovation，nonmetallic substrate plating technology，which used mainly for decorative products before，has become an important plating technology for obtaining functional coatings now and finds a new application in modern manufacturing industry.As the substitution of nonmetallic materials for nonferrous materials，in electronic products，manufacture will become a prevailing trend，nonmetallic substrate plating method just becomes an important technology for supporting this material change.In this paper，the application of nonmetallic substrate plating method in structure materials including electronic products was introduced.

nonmetal;electronics manufacturing;electronic plating

TQ153.3

A

1001-3849(2010)11-0027-04

2010-05-10

2010-08-09