銅－鎳磷多層膜的製備方法
2023-06-09 01:11:51 1
專利名稱：銅－鎳磷多層膜的製備方法
技術領域：
本發明涉及一種多層膜的一種製備方法。特別敘述了一種銅-鎳磷多層膜的一種製備方法。
背景技術：
實踐和研究結果表明，高模量和低模量相交替的多層薄膜往往比單一組分形成的單層薄膜提供更充分的表面性能。因為多層膜不但有高的強度和高抗塑變性能，而且可以提高底材與塗層的結合強度，減少塗層體系中的空隙，可以改變薄層內應力和裂紋的分布，提高材料的屈服強度和摩擦學性能。而當多層膜的單層厚度達到納米尺寸時，其在力學、電學、磁學和光學等方面常顯示出明顯不同與組成它們的單層薄膜材料的奇特性質。
為了適應航空航天、微電子(包括磁記錄材料)、生物和醫學領域對材料表面的特殊要求，摩擦學塗層正向著超薄、複合結構方向發展。用於磁記錄、光電信息記錄以及微型電子機械等材料的研究是當前比較活躍的課題。比如目前的磁記錄材料都存在著材料的耐磨性差、壽命短的缺點，而多層膜是克服這些缺點達到特殊要求的有效途徑之一。與離子濺射、物理氣相沉積、磁控濺射、分子束外延生長等製備金屬多層膜的方法相比較，電沉積方法設備和工藝過程簡單、製作時間短，對底材的尺寸和形狀要求較低，沉積溫度較低，所以避免了高溫下材料內部引入的熱應力和層間熱擴散。因此電沉積方法是製備多層膜的有效途徑之一。
發明內容
本發明的目的在於避免物理沉積方法製備多層膜的不足，採用電化學沉積法製備銅-鎳磷多層膜。從而形成了一種設備和工藝過程簡單，成本較低，對底材的尺寸和形狀要求較低的多層膜的製備方法。
本發明採用電化學沉積的方法製備銅-鎳磷多層膜，對電極為純鎳板或鉑電極，工作電極為金屬片或導電玻璃，參比電極為飽和甘汞電極。其特徵在於將硫酸銅，硫酸鎳，亞磷酸，檸檬酸鈉以及十二烷基硫酸鈉溶於蒸餾水中，調pH值為2.0～2.5，配成電沉積多層膜溶液，保持沉積溫度40℃～45℃，電勢在-50mV～-0.4V(SCE)之間沉積銅，電勢≤-0.8V(SCE)範圍內沉積鎳磷。
沉積前將電解液進行除氧處理，將工作電極的制膜面清洗乾淨，然後浸入電解液中，在預先設置的沉積條件下進行銅-鎳磷多層膜的製備。
本發明的電化學沉積多層膜溶液中，硫酸銅的濃度為0.005mol·L-1～0.03mol·L-1，硫酸鎳的濃度為0.8mol·L-1～1.5mol·L-1，亞磷酸的濃度為0.15mol·L-1～0.3mol·L-1，檸檬酸三鈉的濃度為0.15mol·L-1～0.25mol·L-1，十二烷基硫酸鈉的濃度為1.5×10-4mol·L-1～2.5×10-4mol·L-1。
本發明所涉及的銅-鎳磷多層膜具有良好的摩擦學性能，可以用作減摩抗磨保護性塗層。採用的試驗方法如下摩擦磨損試驗在日本協和株式會社生產的動靜摩擦係數測定儀上進行。滑動速度90mm·min-1，單向滑動行程為9mm，法向負荷為0.5N、1N、2N和3N。每種載荷下的往復滑動次數均控制在1500次。偶件選用Φ3的GCr15鋼球。在室溫及相對溼度RH＝40％～45％條件下進行測定。摩擦磨損試驗結果表明，GCr15鋼球與潔淨的鈹青銅表面對摩時摩擦係數較高，約為0.60。
以鈹青銅片(19×12.5×2mm)為底材，單層膜厚度為50nm，總厚度為3μm的銅-鎳磷多層膜與GCr15鋼球對摩時的試驗結果表明在0.5N的載荷下，多層膜表現出較好的抗磨減摩性能，當滑動次數達到1500次時，摩擦係數仍保持在0.17；在1N載荷下，摩擦係數從起始的0.16逐漸增加到0.36；在2N載荷下，摩擦係數從0.16逐漸增加到0.52；當載荷增加為3 N時，摩擦次數僅到486次，摩擦係數就高達0.52，耐磨壽命也相應縮短。即隨著載荷的增加，銅-鎳磷多層膜的摩擦係數逐漸增大。
NanoTest600納米壓入儀用於測定多層膜的顯微硬度，載荷和壓入深度解析度分別為1μN和0.1nm，本實驗採用的最大載荷和壓入深度分別是6.06mN和158.01nm，實驗結果為5次測量的平均值。單層膜為50nm，總厚度為3μm的銅-鎳磷多層膜的顯微硬度測試結果測得為12.79±0.82GPa。
本發明的製備方法與離子濺射、物理氣相沉積、磁控濺射、分子束外延生長等製備多層膜的方法相比較，設備和工藝過程簡單、製作時間短，對底材的尺寸和形狀要求較低，沉積溫度較低。該方法製備的多層膜具有良好的摩擦學性能和高的顯微硬度。
具體實施例方式
實施例1多層膜的製備採用單槽雙脈衝恆電位方法，使用可控變化周期的直流脈衝穩壓電源(自製)。採用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極，對電極為純鎳金屬片，工作電極(底材)為鈹青銅片(19×12.5×2mm)。選擇電勢-50mV(SCE)來沉積銅鍍層，選擇-1.2V(SCE)來沉積鎳磷層。製備單層膜厚為50nm，總厚度為3μm的銅-鎳磷多層膜。電沉積多層膜的溶液組成如下硫酸銅的濃度為0.001mol·L-1，硫酸鎳的濃度為1.0mol·L-1，亞磷酸的濃度為0.17mol·L-1，檸檬酸三鈉的濃度為0.2mol·L-1，十二烷基硫酸鈉的濃度為1.2×10-4mol·L-1。調pH值在2.0～2.5之間；溫度保持在45℃。試劑均為分析純，溶液採用蒸餾水配製而成。
沉積前，將電解液進行除氧處理，將工作電極的制膜面清洗乾淨，然後浸入電解液中，在預先設置的沉積條件下進行銅-鎳磷多層膜的製備。
權利要求
1.一種銅-鎳磷多層膜的一種製備方法，採用電化學沉積的方法，對電極為純鎳板或鉑電極，工作電極為金屬片或導電玻璃，參比電極為飽和甘汞電極，其特徵在於將硫酸銅，硫酸鎳，亞磷酸，檸檬酸鈉以及十二烷基硫酸鈉溶於蒸餾水中，調pH值為2.0～2.5，配製成電沉積多層膜的溶液，保持沉積溫度40℃～45℃，電勢在-50mV～-0.4V(SCE)之間沉積銅，電勢≤-0.8V(SCE)範圍內沉積鎳磷。
2.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積多層膜溶液中硫酸銅濃度為0.008mol·L-1～0.03mol·L-1。
3.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積多層膜溶液中硫酸鎳的濃度為0.8mol·L-1～1.5mol·L-1。
4.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積多層膜溶液中亞磷酸的濃度為0.15mol·L-1～0.3mol·L-1。
5.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積多層膜溶液中檸檬酸三鈉的濃度為0.15mol·L-1～0.25mol·L-1。
6.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積多層膜溶液中十二烷基硫酸的濃度為1.5×10-4mol·L-1～2.5×10-4mol·L-1。
7.如權利要求1所說的方法，其特徵在於沉積前將電解液進行除氧處理，將工作電極的制膜面清洗乾淨，然後浸入電解液中。
全文摘要
本發明公開了一種銅－鎳磷多層膜的一種製備方法。本發明以硫酸銅、硫酸鎳、亞磷酸，檸檬酸鈉以及十二烷基硫酸鈉為原料配製成沉積多層膜的溶液，採用電化學沉積的方法，製備軟硬相交替的銅－鎳磷多層膜。該方法的特點是設備和工藝過程簡單，沉積溫度較低，避免了物理方法沉積時高溫下材料內部引入的熱應力和層間熱擴散。實驗結果表明本發明所涉及的銅－鎳磷多層膜有高的顯微硬度和良好的摩擦學性能。
文檔編號C25D5/12GK1415787SQ0215465
公開日2003年5月7日 申請日期2002年11月30日 優先權日2002年11月30日
發明者劉維民, 石雷 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所