超臨界條件下溫度和壓力對電鑄鎳的影響

王星星, 雷衛(wèi)寧

(1.江蘇工業(yè)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院,江蘇常州 213016;2.江蘇技術(shù)師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)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(wèi)寧2

(1.江蘇工業(yè)學(xué)院機(jī)械與能源工程學(xué)院,江蘇常州 213016;2.江蘇技術(shù)師范學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,江蘇常州 213001）

在超臨界條件下,溫度和壓力對微細(xì)電鑄鎳的實(shí)驗(yàn)比較研究,得出超臨界二氧化碳微細(xì)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(xì)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(guī)電鑄工藝而確立的新概念,是針對微小結(jié)構(gòu)(主要是微米/納米尺度結(jié)構(gòu)）的加工技術(shù),既可以看作是在微細(xì)加工模具基礎(chǔ)上的電鑄成型技術(shù),也可以認(rèn)為是掩膜電鍍在高深寬比方向發(fā)展的結(jié)果。

最近幾年,提高金屬和高分子材料表面特性的微細(xì)加工技術(shù)已經(jīng)有所成就。Yoshida等[1]提出了在超臨界CO2(SCF-CO2）條件下,運(yùn)用電鍍或者電鑄的方法進(jìn)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(kuò)散性、高溶解度、低黏度、高表面張力等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)被許多領(lǐng)域所采用,如:納米晶粒合成,表面膜制備[5-6]等領(lǐng)域。然而,將超臨界流體技術(shù)用于微細(xì)加工方面的研究還很少,尤其是在國內(nèi)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(shí)驗(yàn)比較,得出SCF-CO2微細(xì)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(gòu)成了SCF-CO2三元體系,所以形成導(dǎo)電乳化液是電鑄反應(yīng)的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示[3]。

圖1 超臨界CO2電鑄實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

實(shí)驗(yàn)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(jù)需要,在電鑄結(jié)束后,通過回收裝置回收CO2,實(shí)現(xiàn)循環(huán)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(jìn)行超臨界電沉積鎳的基礎(chǔ)上通過實(shí)驗(yàn),我們研究發(fā)現(xiàn):乳化液的電阻與壓力密切相關(guān),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(dāng)壓力升到18 MPa時,電阻反而上升到25Ω。所以我們可以認(rèn)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(guān)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(guān)。溶解度 X與溫度 T和壓力 P的關(guān)系可用式(1）表示[2]:

式中:P＊表示飽和蒸汽壓。計算表明:當(dāng)壓力接近臨界壓力7.3 MPa時,溶解度快速增大;當(dāng)壓力從7.4 MPa增加到16 MPa時,溶解度緩慢增加;當(dāng)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(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究,我們發(fā)現(xiàn):超臨界CO2的溶解度與溫度也密切相關(guān),而溶解度與乳化液的電阻有必然聯(lián)系,所以,乳化液的電阻與溫度必然密切相關(guān)。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(dāng)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(dāng)溫度升高到45℃時,乳化液的電阻降低到23Ω;但是,當(dāng)溫度升到50℃時,電阻升高到25Ω;之后再升高溫度,電阻繼續(xù)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(dǎo)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(wěn)定。此外,當(dāng)壓力低于13 MPa時,隨著溫度的升高,溶解度也在增大;但是當(dāng)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(guān)系更加明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tài)最好。

3 結(jié)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(wèi)寧.超臨界流體微細(xì)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(xué)與技術(shù)[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(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:8-19.

[6] 楊建明,朱荻,雷衛(wèi)寧.電沉積法制備納米晶材料的研究進(jìn)展[J].材料保護(hù),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(xué)基金項(xiàng)目(50875116）;江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK2006043）

2009-11-09

·電 鍍·