鐵鎳電熱合金箔電鑄工藝及其電阻率特性研究

謝龍，徐浩洋，劉壯，高長水

(1. 無錫新輝龍科技有限公司，江蘇 無錫 214174；2. 南京航空航天大學 無錫研究院，江蘇 無錫 214174；3. 南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著科技發(fā)展，對醫(yī)療、半導體等高精尖領域的加熱裝置要求越來越高[1-5]。陶瓷基體電熱薄膜具有加熱效率高、升溫快、無電磁干擾、絕緣性好等優(yōu)勢，能夠滿足醫(yī)療、半導體等領域對加熱的精度、功率、安全性及可靠性等要求，故其應用前景十分廣闊?，F(xiàn)階段陶瓷基體電熱薄膜多采用絲網(wǎng)印刷制備工藝，印刷漿料多采用釕系電阻漿料。絲網(wǎng)印刷工藝方法效率較低，制備厚度約為50 μm的電熱薄膜耗時約為18 h。同時，釕系電阻漿料價格昂貴，其價格僅次于黃金，極大地增加了陶瓷基體電熱薄膜制備成本。

鐵鎳合金(Fe-Ni)材料價格低廉、電阻率高、具有良好的正溫度系數(shù)(PTC)特性，是理想的電熱薄膜材料。電鑄工藝具有成型精度高、復制性好、工藝簡單且成本低等特性[6-7]。因此，通過電鑄工藝制備鐵鎳合金電熱薄膜，能夠很好地解決目前陶瓷基體電熱薄膜絲網(wǎng)印刷制備工藝成本高、效率低的難題。本文圍繞Fe-Ni合金電熱薄膜電鑄工藝對電阻率特性的影響開展研究，為電鑄工藝制備Fe-Ni合金電熱薄膜提供理論參照。

1 試驗

1.1 試驗裝置

Fe-Ni合金箔電鑄加工試驗裝置如圖1所示。裝置主要由電源、加熱系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)、PH值控制系統(tǒng)4個部分組成。所研制的Fe-Ni合金箔電鑄加工試驗裝置能夠滿足以下功能：1)可以精確地控制加工電流，確保陰陽極的電流密度穩(wěn)定；2)可以確保試驗過程中電鑄液恒溫；3)可以確保實驗過程中電鑄液pH值恒定；4)可以充分混合電鑄液中的金屬離子，從而避免濃差極化現(xiàn)象出現(xiàn)；5)可以將溶液中的陽極泥等雜質(zhì)濾除；6)整套試驗裝置簡單可靠，能夠實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)的精準性與任意性。

圖1 Fe-Ni合金箔電鑄加工試驗裝置示意圖

1.2 試驗方案

選擇氮化鋁作為陶瓷基體進行Fe-Ni合金箔電鑄試驗，選擇釕系電阻漿料作為導電層金屬，采用精度高、工藝簡單可靠、效率高、成本低的絲網(wǎng)印刷工藝在陶瓷基體先制備一層導電層，然后采用電鑄方法制備鐵鎳合金箔。電鑄鐵鎳合金的電鑄液組成與配比如表1所示。

表1 電鑄鐵鎳合金電鑄液組成與配比

2 試驗結果分析

2.1 電鑄液中Fe2+濃度對電鑄結果的影響

如圖2所示，鑄層中鐵含量隨著溶液中Fe2+摩爾濃度的增加而增加，與電鑄液中Fe2+摩爾濃度的關系為正相關。其原因是鐵鎳合金的電沉積方式為異常共沉積[8]。合金的異常共沉積是指活潑金屬會優(yōu)于相對不活潑的金屬沉積到陰極表面，而異常共沉積過程會隨著電鑄液中離子濃度比即C(Fe2+)/C(Ni2+)值的增大而更加顯著。因此，隨著添加到電鑄液中Fe2+濃度的增加，離子濃度比增加，最終電鑄出的鐵鎳合金中鐵含量增加[9]。如圖3所示，鑄層電阻率值隨著溶液中Fe2+摩爾濃度的增加而增加。其原因是在溫度為20 ℃時，鎳的電阻率是6.84 μΩ·cm，鐵的電阻率為10 μΩ·cm。由于鐵的電阻率大于鎳的電阻率，因此，隨著溶液中Fe2+的增多，鑄層中鐵含量增加，鐵鎳合金的電阻率增加。

圖2 Fe2+濃度對鑄層中鐵質(zhì)量分數(shù)影響

圖3 Fe2+濃度對鑄層電阻率的影響

2.2 糖精濃度對電鑄結果的影響

圖4為糖精濃度與鑄層電阻率之間的關系折線圖，從圖中可以看出，鑄層電阻率隨著糖精濃度的增加而增加，且增長趨勢隨著糖精濃度的增加逐漸趨于平緩。這是因為適量的糖精濃度能夠細化電鑄過程中的金屬晶粒，使鐵鎳合金的微觀組織變細，晶界總面積就越大，電子的平均自由程將越短，自由電子被散射的概率增大，從而電阻率就會越大[10]。但糖精對于金屬晶粒的細化作用有限，當糖精濃度到達一定量時，晶粒的細化作用變得很微弱，因此鑄層電阻率最終趨于平緩。

圖4 糖精濃度與鑄層電阻率折線圖

2.3 電流密度對電鑄結果的影響

由圖5得知，合金鑄層中鐵的含量隨著電流密度的增大先增多后減少，而鐵的電阻率大于鎳的電阻率。因此隨著鐵含量的增多，合金鑄層的電阻率也應該呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。其次，鑄層結晶尺寸大小與電流密度關系密切。當陰極區(qū)的電流密度低于允許值的下限時，由于電流密度過低，超電勢很小，晶核的形成速度很低，只有少數(shù)晶體長大，最終導致鑄層的結晶粗大。隨著電流密度的增加至極限電流密度值之前，超電勢增加，晶核形成的速度加快，最終鑄層的結晶細致且均勻。圖6中0.5 A/dm2～0.75 A/dm2區(qū)間內(nèi)，鑄層電阻率呈上升趨勢，通過以上分析，陰極區(qū)的電流密度應該由低于允許下限值增大到高于允許下限值，結晶尺寸的減小使得鑄層電阻率增大。圖6中0.75 A/dm2～2 A/dm2區(qū)間內(nèi)，電流密度的增加對鑄層電阻率影響顯著性很低，第一個原因是從圖5看出的，電流密度在0.75 A/dm2～2 A/dm2區(qū)間內(nèi)，對鑄層鐵含量的影響顯著性很低；其次，在這個區(qū)間內(nèi)，鑄層的結晶尺寸變化很小。綜合以上分析，得出圖6電流密度與鑄層電阻率關系折線圖。

圖5 電流密度與鑄層鐵質(zhì)量分數(shù)折線圖

圖6 電流密度與鑄層電阻率關系折線圖

2.4 溫度對電鑄結果的影響

通過圖7可以看到，鑄層鐵含量隨著電鑄液溫度的升高而增大，鐵含量增多會導致鑄層電阻率的增大。溫度升高加快了電鑄液中離子的擴散速度，使得濃差極化降低；同時，因溫度升高電鑄液中離子的脫水速度加快，增強了Fe2+、Ni2+與陰極基體表面的活性，從而降低了電化學極性，使得鑄層結晶粗大[11]。正如以上分析結果所述，粗大的晶粒會導致鑄層電阻率變小。綜合以上影響鑄層電阻率的兩個因素，圖8曲線的走勢便可以得到合理的解釋。

圖7 溫度與鑄層鐵的質(zhì)量分數(shù)關系折線圖

圖8 溫度與鑄層電阻率的關系折線圖

2.5 pH值對電鑄結果的影響

由圖9可得到，鑄層鐵含量隨著pH值的升高而增大，因此鑄層電阻率應隨著pH值的升高而增大。隨著電鑄液中pH值增大，使得溶液中H+濃度降低，陰極區(qū)附近的析氫反應減弱，金屬離子還原速率加快，陰極極化得到提高，最終得到晶粒更加細小的鑄層。由以上結論所述，鑄層電阻率隨著鑄層晶粒尺寸的減小而增大。綜合鐵含量以及晶粒尺寸兩個因素對鑄層電阻率的影響，可以得知鑄層電阻率隨著鑄液中pH值的增加而增大。

圖9 pH值與鑄層鐵質(zhì)量分數(shù)關系折線圖

圖10 pH值與鑄層電阻率關系折線圖

3 結語

鑄層中的鐵含量隨著溶液中Fe2+濃度的增加而增加，與電鑄液中Fe2+濃度的關系為線性正相關；鑄層電阻率值隨著溶液中Fe2+濃度的增加而增加。隨著鑄液中糖精濃度的增加，鑄層電阻率呈增大趨勢。電流密度在0.5 A/dm2～2.5 A/dm2范圍內(nèi)，隨著電流密度的增加，鑄層中的鐵含量呈先增加后減少的趨勢，在電流密度為1 A/dm2時，鑄層中的鐵含量達到最大值。鑄層電阻率隨著電流密度的增加總體呈現(xiàn)下降趨勢。鑄層的電阻率隨著電鑄液溫度的升高而降低，隨著溶液pH值的升高而增大。