納米氧化鋁/銅復合粉體的制備及其電化學行為

張 屹， 吳 海 寧， 張 晶 晶， 姜 淑 文

( 大連工業(yè)大學 紡織與材料工程學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

金屬銅因優(yōu)異的導電、導熱、化學穩(wěn)定性被廣泛應用于工業(yè)中的各個領域[1]。然而，固有強度低，耐磨性差和低溫下易氧化的缺點限制了其在金屬鑄件、電子工業(yè)等領域中更好的應用[2-3]。因此，為了提高銅的強度并減緩其氧化進程，利用增強相填充形成金屬基復合材料(MMCs)來提高銅的強度、耐磨性和其他性能的方法被廣泛研究和應用，常用的增強相有氧化鋁[4]、金剛石[5]、石墨烯[6]、碳化鈦[7]和氧化鋯[8]等。

納米氧化鋁由于較高的楊氏模量(約410 GPa)和硬度(約2 000 Hv)而具有優(yōu)異的耐高溫及機械性能[9]。以納米氧化鋁為增強相制備金屬基復合材料的工藝主要包括內氧化法[10]、機械合金化法[11]、溶膠-凝膠法[12]、化學鍍法[13]和液相反應原位生成法[14]等。其中，化學鍍技術不僅具有沉積速率高、操作簡單和可批量生產等優(yōu)點，還能改善由于增強相Al2O3與基體Cu之間的密度差引起材料內部不均勻的問題。

在傳統(tǒng)的化學鍍銅工藝中，由于甲醛成本較低，且所得鍍層中銅的含量較高，經常被用作還原劑，但對實驗人員的健康和環(huán)境產生的危害不容忽視。次亞磷酸鈉具有很高的負極電位，可以有效替代甲醛，但在銅表面不表現反應活性，故可以將具有高金屬活性的鎳加入反應體系中以增強次亞磷酸鈉的還原活性[15]。同時，鎳還可以提高基質Cu與增強相Al2O3之間的潤濕性，并與金屬基體形成固溶體或中間化合物，增強鍍層與基體之間的結合強度。

本研究采用化學鍍技術制備了納米氧化鋁/銅復合粉體，研究了納米氧化鋁/鎳和納米氧化鋁/銅復合粉體的表面形貌、物相組成，并通過電化學分析技術研究了化學鍍銅過程的機理以及重金屬離子活化劑在化學鍍銅過程中的影響機制。

1 實 驗

1.1 材料與儀器

納米氧化鋁(nano-Al2O3，40 nm)、硼酸(H3BO3)，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；六水合硫酸鎳(NiSO4?6H2O)、五水合硫酸銅(CuSO4?5H2O)，分析純，天津市光復精密化工研究所；次亞磷酸鈉(NaH2PO2?H2O)、檸檬酸鈉(C6H5Na3O7?2H2O)、氯化鈉(NaCl)、鹽酸(HCl),分析純，天津市科密歐化學試劑有限公司；氯化亞錫(SnCl2)、氯化鈀(PdCl2)，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司。

DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，上海力辰邦西儀器科技有限公司；TG16-WS型湘儀臺式高速離心機，上海右一儀器有限公司；GT-SONIC型超聲波清洗器，廣東固特超聲股份有限公司；恒溫鼓風干燥箱，上海精宏實驗設備有限公司。

1.2 納米氧化鋁/銅復合粉體的制備

1.2.1 錫鈀敏化活化液的配制

將氯化亞錫(S)、氯化鈀(P)、氯化鈉(N)、鹽酸(H)按nS∶nP∶nN∶nH=0.100∶0.050∶10∶1進行稱量配料，加入一定量的水作為促溶解劑，混合攪拌15 min后轉入100 mL容量瓶中。

1.2.2 納米氧化鋁粉體預處理

將1 g納米氧化鋁放到質量分數為18.5%的鹽酸中，超聲波粗化處理10 min。將粗化后的納米氧化鋁放到預先配置好的錫鈀敏化活化液中，超聲波敏化活化15 min。將預處理好的粉體用去離子水沖洗，8 000 r/min離心，80 ℃干燥30 min，得到活化后的納米氧化鋁粉體。

1.2.3 化學鍍反應

將預處理好的粉體放入化學鍍的鍍液中，進行化學鍍反應。鍍液組成及反應條件見表1。

表1 化學鍍的鍍液組成及反應條件

納米氧化鋁/銅復合粉體的制備方式分為兩種，一種是直接將預處理好的納米氧化鋁粉體加入化學鍍銅液中，另外一種是先將預處理好的納米氧化鋁粉體加入化學鍍鎳液中，待化學鍍鎳完成后，再加到化學鍍銅液中，此時化學鍍銅液中不包括NiSO4?6H2O。化學鍍期間施以磁力攪拌，鍍覆25 min時溶液由藍綠色變得透明，表明金屬離子已經基本還原完畢。取出粉體，用去離子水清洗3次，80 ℃烘干40 min，即得到納米氧化鋁/銅復合粉體。

1.3 組織結構測試

使用X射線衍射儀(XRD-7000S)測定復合粉體的相組成；掃描范圍10°～80°。采用配備X-Max能量色散光譜儀(EDS)的熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡(JEOL JSM-7800F)對復合粉體的顯微形貌以及元素分布進行表征。

1.4 電化學測試

采用CHI 600C電化學工作站進行電化學測試，電解質溫度為90 ℃，pH為9.0(在25 ℃下測量)。采用傳統(tǒng)三電極體系進行測量。以銅電極(10 mm×20 mm，Ф=7.0 mm)為工作電極，測試前，用金相砂紙(7#)拋光工作電極，然后用Al2O3粉末拋光，用去離子水清潔并用脫脂棉擦干；鉑絲為對電極；參比電極為飽和Ag/AgCl電極。測試過程中，所有電極浸入電解液下方1 cm處。在陽極極化曲線測量時電解液不含有金屬離子(Cu2+、Ni2+)，在陰極極化曲線測量時不含有NaH2PO2?H2O。每次測試使用50 mL電解質。

線性掃描伏安法和計時安培法用于研究復合粉體的生長機理，掃描速率為20 mV/s。采用電化學噪聲技術研究Pd2+作為化學鍍銅過程的活化顆粒時對化學鍍銅工藝的影響，測試時間為4 000 s，采樣間隔為0.1 s。在實際測試中，使用兩個經過相同處理(Pd2+)的電極作為雙工作電極，其中一個連接到地面，并使用標準Ag/AgCl電極作為參比電極。

2 結果與討論

2.1 物相分析

原始納米氧化鋁、納米氧化鋁/鎳復合粉體和兩種方式下制備的納米氧化鋁/銅復合粉體的XRD表征結果如圖1所示。由圖1(a)可見，納米氧化鋁與金屬鎳復合后，通過與標準卡片對照，發(fā)現2θ在32.8°、36.7°和75.5°的位置出現了NiP2的衍射峰，在47.7°、50.7°和62.3°的位置上出現了Ni3P的衍射峰，這可歸因于次磷酸根作為化學鍍鎳過程中的還原劑時，鍍鎳產物中易出現鎳磷合金相[16]。其余峰位都與未復合的納米氧化鋁相對應，則可說明金屬鎳與其成功復合。由圖1(b)可見，以直接化學鍍銅的方式進行納米氧化鋁表面銅金屬化后，產物中還存在有Cu2O相，這可能歸因于化學鍍過程中部分Cu2+未完全被還原為Cu所致。而將納米氧化鋁/鎳復合粉體直接投入到化學鍍銅液中時，產物中不再有Cu2O相，取而代之的都是金屬銅。因此，鎳磷合金的存在有利于促使Cu2O相向金屬銅轉變。

(a) 納米氧化鋁/鎳復合粉體

2.2 形貌結構分析

圖2為原始納米氧化鋁的表面形貌圖，可以看出其粒徑分布在40～50 nm。由于納米級粉體均具有較高的表面活性，所以大多數納米氧化鋁顆粒處于團聚狀態(tài)。這為納米氧化鋁/金屬復合粉體的制備提供了活性位點。

圖2 原始納米氧化鋁粉體的SEM照片

圖3(a)為納米氧化鋁與金屬鎳形成的復合粉體，可以看到粒徑較大的鎳核與粒徑較小的納米氧化鋁相互交錯鑲嵌分布。與之對應的元素分布圖，也進一步體現出金屬鎳成功與納米氧化鋁相復合。圖3(b)為以直接化學鍍銅法獲得的納米氧化鋁/銅復合粉體的表面形貌圖，可以看到銅核與納米氧化鋁的粒徑相當，同時伴隨有少量鎳核鑲嵌在銅/納米氧化鋁復合粉體中。這是由于在利用次亞磷酸鈉作為還原劑直接化學鍍銅制備復合粉體時，次亞磷酸根對銅離子的還原活性不夠，往往需要添加一定量的鎳離子作為再活化劑來促使化學鍍銅反應的持續(xù)進行。相應的能譜圖也能清楚地看到金屬鎳、金屬銅和納米氧化鋁的分布狀況。圖3(c)為納米氧化鋁/鎳復合粉體直接投入化學鍍銅液中所獲得的粉體(先鎳后銅法)，同樣可以觀察到金屬銅核與納米氧化鋁粉體相互鑲嵌分布。

(a) 納米氧化鋁/鎳復合粉體

2.3 電化學行為

2.3.1 形核與生長機理

通過計時電流法獲得了化學鍍鎳、不同方式化學鍍銅(無再活化劑Ni2+、有再活化劑Ni2+和金屬鎳作活化劑)過程相對應的電流-時間曲線。如圖4所示，銅電極在不同電解液中，電流隨時間的變化均是先增大，然后一定時間后趨于平穩(wěn)。在這一電流變化過程中，電流的增加歸因于金屬離子被還原為金屬而存在的電荷遷移。此外，隨著被還原的金屬原子核在沉積過程中的形成和生長，工作電極與電解質之間的有效接觸面積逐漸變小，電流的增長趨勢逐步趨于緩慢，直到表面完全被金屬覆蓋，最后電流趨于穩(wěn)定。金屬離子在不同情況下還原的難易程度也可通過起波電流和穩(wěn)態(tài)電流進行說明。相應地，起波電流和穩(wěn)態(tài)電流越大，則說明在該狀態(tài)下金屬離子越容易被還原。根據電流隨時間的變化趨勢，可將整個過程分為3個區(qū)域進行分析。A區(qū)可視為響應區(qū)，B區(qū)可被視為過渡區(qū)域，C區(qū)則視為穩(wěn)定區(qū)。響應區(qū)內，當電極浸入電解液中時，許多陰離子和少量陽離子立即吸附在銅表面，這是因為陰離子(如OH-)的擴散遷移速度相對較快，而陽離子(如Cu2+)的擴散遷移速度較慢。過渡區(qū)內，當催化表面聚集一定數量的活性粒子，氧化還原反應隨即開始。次亞磷酸根被氧化，而金屬離子(如Cu2+)和溶液中的OH-同時被消耗。由于離子大小不同，導致金屬離子和OH-離子擴散速率的差異，進而使得在某些電位下金屬離子相對于OH-過量。吸附過程一直持續(xù)到達到飽和條件，然后電流緩慢趨于穩(wěn)定。對于穩(wěn)定區(qū)，金屬離子的擴散和遷移加快，并受電位驅動。20 s后，隨著離子的供給速率逐漸接近其消耗速率，反應在該區(qū)域變得穩(wěn)定，最終混合電勢保持不變。

圖4 不同沉積過程對應的電流-時間曲線

通過觀察可以看出，鎳離子自身的還原最為容易，而相比之下單獨的銅離子還原最困難。對于采用兩種不同的方式活化化學鍍銅過程時，顯然金屬鎳的效果最好。另外，雖然兩種方式的起波電流有一定的差異，但在響應區(qū)內具有相同電流值的增長趨勢，在這一區(qū)域內，催化物質金屬鎳先進行部分的溶解來誘導銅離子向催化中心遷移，這一過程與鎳離子的作用方式相似。之后由于金屬鎳和鎳離子的共同作用使得以金屬鎳作為活化劑的化學鍍銅過程易于以鎳離子作為活化劑的化學鍍銅過程。綜上所述，由于金屬鎳活化化學鍍銅過程的穩(wěn)態(tài)電流高于鎳離子，所以金屬鎳對化學鍍銅過程的促進作用更大。

2.3.2 化學鍍過程的機理

電極表面的氧化曲線如圖5所示。從圖中可以看出，開始時電流均逐漸減小，這是在工作電極表面形成雙電層的充電過程。如圖5(a)所示，當電極為銅時，次亞磷酸根在電解液中有鎳和無鎳的情況下，在-0.55 V附近均出現了一個明顯的還原峰，這說明次亞磷酸根和鎳離子隨電壓變化不斷向工作電極表面遷移，并在工作電極與電解質之間的界面處富集。當兩個具有不同電荷的離子共存，一同向工作電極與電解質之間的界面處富集時，會使極化電流變大。當電解液中包含有鎳離子時，在-0.9 V附近出現了次亞磷酸根對應的氧化峰，而當電解液中不包含鎳離子時，相同位置附近沒有出現，這表明鎳離子的存在對次亞磷酸根的氧化具有促進作用。如圖5(b)所示，當電極為銅鎳合金、電解液中不包含鎳離子時，在-0.55 V 處同樣出現了電解液中離子向工作電極方向遷移，并在工作電極與電解質之間的界面處富集的還原峰，而在含鎳離子的電解液中則未出現相應的還原峰，這可能是受銅鎳合金電極表面狀況的影響所致。鎳離子存在條件下，次亞磷酸根的氧化峰在-0.75 V左右出現，且明顯先于銅電極；在無鎳離子的電解液體系中，沉積的銅鎳合金對次亞磷酸根的還原有一定的催化作用，但影響較弱，這是在銅電極處所沒有的。這表明，在金屬原子的化學沉積過程中，沉積的金屬層和溶液中的金屬離子都有助于還原劑的氧化，進而推動化學鍍反應的持續(xù)進行。

(a) 銅電極

圖6分別記錄了在無鎳和含鎳電解液中，金屬離子在不同工作電極條件下還原所對應的線性伏安曲線(LSV)。從圖中可以看出，各種情況下電流隨電壓的變化都具有相同的趨勢，都有兩個明顯的還原峰。在圖6(a)中，電解液不包括鎳離子，兩個還原峰對應于Cu2+的分步還原：Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)→Cu；銅電極作為催化表面時，Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)轉變的還原峰明顯先于鎳電極和銅鎳電極，這主要是因為在實際測試中，鎳電極需要先進行部分的溶解，而后才能對銅離子的還原起作用，因此在其他兩種電極條件下，Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)轉變的還原峰被延遲。一旦有部分鎳離子存在于電解液中，則會進一步促進Cu+的繼續(xù)還原，所以之后Cu(Ⅰ)→Cu轉變的還原峰均在同一電勢值下出現。在圖6(b)中，此時電解液中包括鎳離子，兩個還原峰對應的還原過程：首先Cu(Ⅱ)與Ni(Ⅱ)共沉積形成銅鎳合金，然后在已經沉積在工作電極上的Cu-Ni合金上再次電結晶。與銅電極相比較來看，在銅鎳電極處同樣出現了第一個還原峰延遲的現象，這還是由于在開始時，電極上部分的金屬鎳先進行溶解，之后溶解的鎳離子再與電極表面的金屬鎳一起對化學鍍過程進行催化。在包含鎳離子的電解液中獲得的線性伏安曲線的還原峰位明顯先于不含鎳離子的電解液，這也進一步說明了金屬鎳和鎳離子均對化學鍍銅過程有促進作用，且由電流-時間曲線可知金屬鎳對化學鍍銅過程的促進作用更大。

(a) 不包含Ni2+

2.3.3 活化劑(Pd(Ⅱ))對化學鍍過程的活化機理

使用化學鍍技術對惰性材料(聚合物、穩(wěn)定氧化物、微晶玻璃材料等)進行金屬化，通常由重金屬顆粒激活，以提高化學鍍的效率和質量。鈀離子通常與亞錫離子結合使用，以完成化學鍍中的活化和敏化過程。在利用電化學噪聲技術測試過程中，測量了活化處理電極相對于參比電極的電化學電流噪聲(ECN)和電化學電位噪聲(EPN)。測試過程中的采樣間隔為0.1 s，每組獲得39 984個數據點，這些數據點對應于5 Hz至0.25 MHz的頻率，數據分別記錄在圖7(a)、(c)中。激活能力的評估需要通過噪聲電阻(Rn)來表征，直流趨勢通過移動平均去除方法(MAR)從ECN和EPN數據中刪除，選取p為3，處理后的數據記錄在圖7(b)、(d)中。在計算噪聲電阻(Rn=σ(U(t))/σ(I(t)))時，直流趨勢去除的p為20，測量重復3次。計算和數據處理的整個過程都通過MATLAB R2018a軟件予以實現。

(a) 原始ECN曲線

通過數據處理獲得的噪聲電阻記錄于圖8中。在開始時，對應的噪聲電阻相對較大，相應的沉積速率較低，這可能是由于實驗初期電極表面存在雙電層，電極材料的溶解以及銅離子的成核等。隨著時間的推移，在重金屬的催化作用下，銅核連續(xù)沉積在電極表面。從曲線可以看出，噪聲電阻迅速降低到非常小，這足以說明在完成了成核等反應的初始過程之后，Pd在化學鍍過程中很快地起到催化作用。由于化學鍍銅過程的不斷進行，在2 800 s之后，噪聲電阻急劇上升，沉積速率相應降低，結合LSV曲線，可以得出，在電鍍時間超過2 800 s時，電極表面已經覆蓋了第一層Cu-Ni鍍層，化學鍍的進一步沉積需要在已經沉積的層上進行新的形核。之后的電沉積過程，活化中心都來自上一階段形成的銅鎳合金。在化學鍍銅過程中，第一階段的成核中心是通過活化劑Pd(Ⅱ)誘導的自催化沉積形成的。Rn再次快速增加，然后趨于平穩(wěn)。這一結果可以歸結為Cu-Ni合金一旦沉積在基體表面，極易發(fā)生二次結晶。

圖8 Pd(Ⅱ)活化條件下電解液的噪聲電阻隨時間變化的曲線

3 結 論

通過傳統(tǒng)的化學鍍銅法和“先鎳后銅”法成功制備了納米氧化鋁/銅復合粉體，“先鎳后銅”法不僅消除了鍍鎳層中過量的鎳磷化合物，而且還凈化了鍍銅層，并消除了傳統(tǒng)化學鍍銅法過程中產生的氧化亞銅副產物。

電化學測試說明了兩種化學鍍銅工藝實現納米氧化鋁/銅復合粉體制備的過程機理，在鍍液中沒有鎳離子時，Cu(Ⅱ)的還原遵循以下途徑：Cu(Ⅱ)→Cu(Ⅰ)→Cu，但當鍍液中存在鎳離子時，還原過程趨向于先形成銅鎳合金然后是銅鎳的再次電結晶。在化學鍍過程中，金屬鎳會先適當溶解然后與鎳離子共同促進化學鍍銅過程的進行。金屬鎳對化學鍍銅的促進作用比鎳離子強。同時也說明了還原劑次亞磷酸根的氧化機理：次亞磷酸鹽由于電鍍液和待鍍表面的狀況而選擇性地吸附在材料表面，然后次亞磷酸根被氧化；溶液中鎳離子和已經在材料表面形成的銅鎳合金均促進了次亞磷酸根的氧化。電化學噪聲技術說明了Pd(Ⅱ)作為活化劑來促進化學鍍銅進程時，先起到催化作用的是材料表面的Pd，而之后起催化作用的則是已經沉積在材料表面的銅鎳合金。