化学镀纳米铜膜的微观组织和摩擦学性能浅析

来源:用户上传      作者: 石高亮 边磊

　　摘要：本文从纳米薄膜的制备方法入手，介绍了化学镀纳米铜膜的历史、原理和制备工艺，讨论了不同方法获得的纳米铜膜微观组织和摩擦学性能差异，并对其研究前景进行了展望。
　　关键词：化学镀 纳米铜膜 微观组织 摩擦
　　
　　1、纳米薄膜制备方法
　　按其制备工艺原理，纳米薄膜材料的制备方法可分为物理方法和化学方法两大类。用物理方法制备纳米薄膜的方法主要包括蒸发[1]、直流或射频溅射[2]、离子束溅射、分子外延[3]、离子镀等。用化学原理制备纳米薄膜也有多种方法，如化学气相沉积法[4]、溶胶-凝胶法[5]、电化学法[6]等。按照制备过程的物质形态，其制备方法可以分为气相法和液相法两大类。根据制备过程的不同，液相法又可分为水热法、溶胶-凝胶法、电化学法和喷雾法等，其中水热法[7]被认为是一种很有潜力的薄膜制备方法。
　　2、化学镀铜工艺与原理
　　化学镀铜法最早是由Narcus在1947年报道[8]，接着在1957年由Cahill首次提出商品镀铜溶液。在20世纪60-70年代已经走向成熟，开发了一系列的络合剂和稳定剂，形成了各种系列化的商品规模。目前，化学镀铜技术除广泛用于印制电路制造业之外，在其他领域也有广泛的应用。化学镀铜技术应用的共同出发点是使非导体材料表面金属化，从而衍生出装饰性塑料镀，导电互连材料，非金属材料电镀底层，电磁屏蔽等系列功能的应用。
　　化学镀铜发生在水溶液与具有催化活性的基体表面，从金属盐的溶液中沉积出金属是得到电子的还原过程；反之，金属在溶液中转变为金属离子是失去电子的氧化过程。化学镀过程中还原金属离子所需的电子由还原剂RN+供给，镀液中的金属离子得到电子后在基体表面沉积，他们是一对共轭反应，可表示为：MeZ++Ze+Ze→Me；NN+→R(N+Z)+Ze，其中，Z是原子价数。金属的沉积过程是还原反应，它可以从不同途径得到电子，由此产生了各种不同的金属沉积工艺。这一工艺不是由外电源提供金属离子还原所需要的电子，而是靠溶液中的化学反应来提供，确切地讲是靠还原剂来提供，这种过程的实质是氧化还原反应，仍有电子转移，只不过是不借助外电源的化学沉积过程。
　　3、纳米铜膜微观组织研究进展
　　从杨保中[9]研究中的不同沉积时间铜膜的X射线衍射图谱可以看出,随着沉积时间的增加,(111)、(200)和(220)衍射峰的强度都逐渐增强,尤其是(111)峰相对于(200)峰增强得更为明显。利用Scherrer方程,根据(111)衍射峰可以计算出铜膜的平均晶粒尺寸。在沉积时间低于10 min时,晶粒尺寸几乎是线性地由15.5 nm增加到27.2 nm，这说明此时沉积时间对晶粒尺寸的影响较大，而当沉积时间超过10 min以后,晶粒尺寸随沉积时间的变化不再明显,直到沉积时间达到40 min时,始终保持在28 nm左右。
　　杨保中[9]还研究了不同沉积时间的化学镀铜膜的表面形貌，结果表明在玻璃表面形成完整连续化学镀铜膜的时间大约为3min左右。也有文献[10]报道，在TaN表面形成一个完整的化学镀铜膜需要的时间为5min。
　　4、纳米铜膜的摩擦学性能
　　制备的纳米铜颗粒清净至中性，然后放在玛瑙罐中并添加适量的油酸，采用球磨机进行包覆处理，即得纳米铜润滑油添加剂。 将纳米铜添加剂以0.1 %、0.15 %、0.175 %、0.5 %和 1.0 %的添加量分别加入到基础油 650SN中，采用 MM－200 摩擦磨损试验机进行摩擦学性能分析，试验载荷为400 N；转速为 200 r/min；时间为1 h，以45 钢为摩擦材料，与基础油650SN作对比。结果如王晓丽等 [11]所示：纳米铜的加入降低了润滑油650SN的摩擦因数，不同的纳米铜添加量对润滑油摩擦因数的降低程度有所不同，当纳米铜的添加量为基础润滑油的0.15 %，可使润滑油的摩擦因数降为最低(0.057) ，对摩擦表面的减摩效果达到最佳。摩擦因数的降低说明纳米铜添加剂对摩擦表面具有减摩性能。
　　5、应用与展望
　　和传统涂层相比 ,经过纳米复合的涂层[12] ,具有优异的力学性能 ,如更低的孔隙率 ,更高的结合强度 ,更高的硬度、抗氧化性、耐腐蚀性 ,因此将大大拓宽表面涂层的机构零件修复、强化和保护领域的应用。除此之外 ,纳米表面涂层还具有许多优异的物理化学性能。在建材产品如卫生洁具、玻璃表面运用纳米表面涂层 ,产生保洁和杀菌的效果;利用纳米结构多层膜的巨磁阻效应 ,可望作为新型的读取磁头；根据纳米涂层具有良好的微波吸收能力 ,在电视广播、雷达技术及隐形兵器方面将得到广泛应用。在玻璃表面上涂敷的纳米氧化钇涂层 ,其反射热的效率很高,可作为红外屏蔽涂层 ,减少光的透射和热传递 ,产生隔热作用。
　　纳米表面涂层的研究时间还不长 ,许多问题还有待于深入研究和探讨 ,如纳米颗粒在涂层介质中的分散技术及其稳定性的研究、各类纳米颗粒不同的性能及可能的应用领域等。可以相信 ,在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论日趋完善的基础上 ,纳米表面涂层将有更快的发展 ,应用将遍及多个领域。
　　
　　参考文献：
　　[1]C.J.Lee, TJ.Lee, S.C Lyu, Y.Zhang ,etc． Fiekl emission from well- aligned[M]．
　　[2]王树林, 夏冬林．ITO薄膜的制备工艺及进展[J]．玻璃与搪瓷 2004: 51-54．
　　[3]沈海军．纳米电子学与纳米电子技术[J]．微纳米电子技术2004: 14-18．
　　[4]刘学建, 金承钰, 张俊计．低压CVD氮化硅薄膜的沉积速率和表面形貌[J]．无机材料学报 2004:379-384．
　　[5]沈海军, 穆先才．纳米薄膜的分类、特性、制备方法与应用[J]．纳米材料与结构 2005:506-508．
　　

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