Главная
Коллекция "Otherreferats"
Производство и технологии
Нанесение никелевых покрытий на диэлектрические основы
Нанесение никелевых покрытий на диэлектрические основы
Теоретические основы и технологические особенности процесса никелирования диэлектриков. Назначение и способы металлизации. Подготовка поверхности, ее активация. Новейшие достижения в нанесении никеля на поверхность диэлектриков, проблемы экологии.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 13.12.2012 |
| Размер файла | 717,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
ГОУ ВПО "САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Гагарина Ю.А. "
ЭНГЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (филиал)
КАФЕДРА ТЭП
Курсовая работа
по Основам электрохимической технологии
на тему "Нанесение никелевых покрытий на диэлектрические основы"
Выполнил: студент группы ТЭП-41
з/к № 0803689 Соловьёва М.К.
Научный руководитель: к. т. н., доцент Целуйкина Г.В.
Энгельс 2012г.
Содержание
- Введение
- 1. Теоретические основы и технологические особенности процесса никелирования диэлектриков
- 1.1 Назначение и способы металлизации
- 1.2 Подготовка поверхности
- 1.3 Активация поверхности
- 1.4 Химическое никелирование
- 1.4 Электролитическое нанесение покрытия
- 2. Новейшие достижения в нанесении никеля на поверхность диэлектриков
- 2.1 Проблемы экологии при никелировании диэлектриков
- Заключение
- Список используемой литературы
Введение
Путем химического осаждения металлов в сочетании с гальваническим создаются металлические покрытия на самых разнообразных диэлектриках: пластмассах, керамике, ферритах, ситалле и других материалах. Изготовление деталей из этих материалов с металлизированной поверхностью обеспечило внедрение новых конструктивно - технических решений, улучшение качества изделий и удешевление производства аппаратуры, машин, предметов широкого потребления. [1]
Детали из пластмасс с металлическими покрытиями широко используютсй в автомобилестроении, радиотехнической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Особенно большое значение процессы металлизации полимерных материалов приобрели в производстве печатных плат, являющихся основой современных электронных приборов и радиотехнических изделий.
Началом использования металлизации пластмасс в промышленном масштабе можно считать шестидесятые годы прошлого века. В то время было установлено, что пластмасса типа АВS (акрилонитрилбутадиенстирол) имеет отличные характеристики формования и может быть прекрасной основой для осаждения покрытий с хорошим сцеплением. В наши дни, как и прежде, для декоративных, так и для функциональных покрытий, которые приобретают все большее значение в этой области. До сих пор, как и много лет назад, для травления поверхности пластмасс типа ABS и ABS/PC применяют хромовую и серную кислоту. Сейчас появилась возможность применения альтернативных растворов для травления, что позволяет осаждать отлично сцепленные покрытия на разные типы пластмасс, что прежде считалось невозможным. Для этого используются средства для набухания, в качестве которых обычно выступают органические растворители в сочетании с последующей стадией кондиционирования (дополнительное изменение поверхности пластмассы для увеличения адсорбции палладиевого активатора). [2]
1. Теоретические основы и технологические особенности процесса никелирования диэлектриков
1.1 Назначение и способы металлизации
Пластмассовые детали получили большое распространение в современной технике и в изделиях бытового применения. Широкое применение пластмасс обусловлено в первую очередь минимальной трудоемкостью создания деталей любой сложной формы и низкой стоимостью исходных материалов. В зависимости от назначения деталей или предъявляемых к ним требований по механической прочности, теплостойкости, электроизоляционным качествам, а также по декоративным свойствам применяют различные полимерные материалы.
В основном пластмассы делятся на два типа - термореактивные и термопласты. Первый тип материалов характеризуется более полной степенью полимеризации, в результате чего изделия из таких пластмасс (карболит, АГ-4, ДСВ) не подвергаются деформациям при воздействии повышенных температур и отличаются повышенной хрупкостью. Второй тип пластмасс, термопласты, к которым относятся, например, такие материалы как полиэтилен, полипропилен, поликарбонаты, СТАН, СНК, АБС и др. отличаются пластичностью при нагревании и легко деформируются.
Несмотря на целый ряд положительных качеств детали из пластмасс обладают недостатками, ограничивающими их еще более широкое применение. К числу таких недостатков следует отнести:
а) слабую износоустойчивость;
б) плохую теплопроводность;
в) недостаточную устойчивость к воздействию света и растворителям;
г) невозможность соединения деталей пайкой;
д) отсутствие электропроводности;
е) выделение газообразных продуктов и постепенное старение;
ж) низкие декоративные качества.
Все перечисленные выше недостатки устраняются после нанесения на поверхность пластмассовых деталей слоя металлического покрытия. Вид покрытия подбирается в зависимости от назначения детали. Так, для декоративных целей самым распространенным видом покрытия является трехслойное покрытие медь-никель-хром. Для обеспечения хорошей электропроводности пластмассовые детали приборов покрывают слоем серебра. Для создания возможности пайки пластмассовых деталей с металлическими на пластмассовые детали наносят слой олова или его сплавов со свинцом (ПОС-60). Металлизация пластмасс за последние годы получила очень широкое и разнообразное применение.
Для улучшения декоративных качеств изделий металлизации подвергают ручки настройки, внешние детали радиоприемников, магнитофонов, отдельные детали легковых автомобилей, водопроводную арматуру (краны, души, штуцера и пр.), корпуса часов, детали авторучек, пуговицы, столовые приборы и т.д. В приборостроении металлизации подвергают детали, служащие электрическими или магнитными экранами, токонесущие элементы конструкций, волноводные-устройства, шкалы, эмблемы и т.д.
В промышленности получили применение три способа металлизации: напыление жидкого металла; вакуумное напыление металлов; химико-электролитическая металлизация.
Первый способ, заключающийся в нанесении расплавленного металла действием сжатого воздуха, получил весьма ограниченное применение из-за большой неравномерности покрытий, весьма грубой поверхности металлического слоя, слабого сцепления напыленного металла с поверхностью.
Способ вакуумной металлизации заключается в конденсации паров металла на покрываемой поверхности в вакуумных установках. Этот способ весьма эффективен при получении тонких (0,1-1,0 мкм) слоев металла на мелких деталях, обрабатываемых в барабане насыпью. Тонкие слои покрытия обладают плохой износоустойчивостью и поэтому пригодны лишь для деталей, не подвергающихся трению или воздействию рук рабочих при сборке или рук потребителей при эксплуатации. Вакуумный способ металлизации по сравнению с химико-элек - тролитическим в большинстве случаев не имеет преимуществ. Следует отметить также, что при вакуумном напылении значительно больший расход материалов и электроэнергии.
Химико-электролитическая металлизация производится путем обработки пластмассовых деталей в растворах, в которых металлические покрытия получаются в результате восстановления ионов металла, присутствующих в растворе, под действием восстановителей. Полученный тонкий слой восстановленного металла затем усиливается гальваническим (электролитическим) способом до необходимой толщины. Химико-электролитический способ металлизации характеризуется возможностью получения большого ассортимента покрытий по видам и толщинам, не требует для его осуществления сложного оборудования, обеспечивает получение равномерных по толщине покрытий и хорошее сцепление покрытий с основой.
Процессы химического осаждения металлов на диэлектрики существенно отличаются от аналогичных процессов осаждения покрытий на металлические детали. Это отличие заключается главным образом в способах подготовки поверхности: химическому осаждению металлов на пластмассы предшествуют операции обезжиривания, травления и активирования. Значение последней операции особенно велико; в результате ее выполнения на поверхности пластмассы образуются микроскопические зародыши обычно из палладия или серебра диаметром в несколько десятков ангстремов (50-100 А), которые служат катализаторами последующей реакции химического восстановления металлов. В результате химического восстановления металлов (меди, серебра) создается первичный слой металла, на который методами электрохимического осаждения обычно наносится слой меди, а затем любой другой металл, выполняющий функции основного металлического покрытия.
Таким образом, технологический процесс химико - электролитической металлизации пластмассовых изделий состоит из следующих основных операций: подготовка поверхности; активация поверхности; химическое меднение или никелирование; гальваническое меднение; гальваническое нанесение покрытия. Прочность сцепления (адгезия) металлических покрытий с поверхностью пластмассы зависит от способов подготовки поверхности и природы пластмассы и колеблется в очень широких пределах от 140 до 500 кгс/см2. Иногда прочность сцепления металлических покрытий с диэлектрическими материалами выражают величиной усилия отрыва полоски металлического покрытия шириной 1 мм. В этом случае величина адгезии металлических покрытий составляет 700-3000 гс/мм. Указанные величины прочности сцепления металлических покрытий с пластмассой значительно уступают величине прочности сцепления гальванических покрытий с металлическим основанием. Однако, как свидетельствует многолетний опыт эксплуатации металлизированных пластмассовых изделий, указанная выше прочность сцепления покрытий является вполне достаточной при эксплуатации изделий даже в самых жестких условиях, когда детали подвергаются вибрации, трению и температурным перепадам.
Толщина металлических покрытий на пластмассовых деталях не имеет такой дифференциации как аналогичные покрытия на металлических деталях, так как нет необходимости защищать пластмассу от коррозии, поэтому варианты покрытий по толщине не многочисленны и по существу не зависят от условий эксплуатации изделий.
1.2 Подготовка поверхности
Подготовка поверхности перед химико-электролитической металлизацией заключается в механической или химической обработке с целью создания на поверхности шероховатости, обеспечивающей необходимую прочность сцепления, а также с целью удаления жировых пленок, которые образуются в процессе изготовления деталей или в результате хранения их на воздухе.
Механическая подготовка. К механическим способам подготовки поверхности относятся такие, как абразивная обдувка сухим абразивом или абразиво-водной пульпой (гидроабразивная обработка). В условиях единичного или опытного производства необходимую шероховатость поверхности получают обработкой шлифовальной шкуркой. Мелкие детали можно обрабатывать во вращающихся барабанах вместе с абразивными материалами. Обдувка абразивными порошками или песком является наиболее распространенным способом, так как при этом обеспечивается наиболее однородная обработка поверхности и достигается высокая производительность. В качестве абразива используют корунд, карборунд или наждачный порошок с размером частиц в пределах 40-100 мкм.
Механическая обработка поверхности пластмасс не позволяет получить достаточно хорошее сцепление покрытий с поверхностью и в то же время значительно ухудшает декоративные качества поверхности. По этим причинам механическая подготовка производится в ограниченных масштабах и повсеместно заменяется химическими способами обработки поверхности (травление).
Обезжиривание. Обезжиривание производят с целью удаления с поверхности различных загрязнений в виде жировых пленок, а также различных смазок, которые использовались при прессовании деталей. Операция обезжиривания выполняется погружением деталей в щелочной раствор состава, г/л:
Тринатрийфосфат Na3P0415-20
Сода кальцинированная Na2C03 15-20
ПАВ (порошок) 5-10
диэлектрик никелевое покрытие поверхность
Температура раствора 50-60° С, продолжительность обработки от 5 до 15 мин. В том случае, если поверхность детали после обезжиривания плохо смачивается водой, операцию повторяют. Иногда перед нанесением покрытий поверхность обезжиривают венской известью. Способ приготовления такой извести достаточно прост, венская известь получается из обычной негашеной извести. При приготовлении венской извести нужно обратить внимание на то, чтобы негашеная известь была белого цвета, желательно высшего качества, без каких-либо посторонних примесей. Ее нельзя заменять гидравлической известью.
При наличии на поверхности смазочных материалов не удаляемых щелочной обработкой, рекомендуется промыть поверхность органическими растворителями, не растворяющими пластмассу и не вызывающими ее набухание. Наиболее подходящими для этой цели растворителями являются трихлорэтилен, уайт-спирит, бензин.
Травление. Операция травления имеет очень важное значение в процессах металлизации пластмасс, так как она обусловливает возможность получения прочносцепленных металлических покрытий.
В результате химической обработки в растворах, содержащих сильные окислители, поверхностный слой пластмассы подвергается частичному разрушению с образованием микрошероховатости и изменяется химическая природа выходящих на поверхность полимерных молекул. Поверхностный слой становится гидрофильным, т.е. легко смачивающимся водой, вследствие образования полярных групп. Весьма характерным является процесс травления деталей из пластмассы типа АБС, специально разработанной для изготовления деталей, подвергающихся металлизации. При травлении АБС - пластмассы происходит избирательное растворение бутадиеновой составляющей, вследствие чего на поверхности создаются микроуглубления, незаметные для невооруженного глаза, схематически показанные на рис.1. Внешне характер поверхности не изменяется, так как она остается по-прежнему гладкой и блестящей, но образовавшиеся по всей поверхности микроуглубления обеспечивают высокую прочность сцепления металлического слоя вследствие заполнения этих углублений частицами металла при химическом меднении или никелировании. Механизм травления сополимеров стирола типа СНП, МСН, НСМ аналогичен вышеописанной схеме, хотя и не столь четко выражен. Другие типы пластмасс при травлении подвергаются поверхностному разрушению, вследствие которого создается необходимая шероховатость.
Рис.1. Поверхность травленой АБС пластмассы
В литературе рекомендуется чрезвычайно большое количество травильных растворов, иногда мало отличающихся друг от друга, однако практическое применение получили сравнительно немногие из них. В табл.1 представлены составы травильных растворов, испытанные в производственных условиях для наиболее употребительных пластмасс.
Табл.1. Составы растворов и режимы травления
|
Тип пластмассы |
Содержание компонентов, г/л |
Режим травления |
|||||
|
Хромовый ангидрид |
Кислота серная |
Кислота фосфорная |
Едкий натр |
Температура,°С |
Время обработки, мин |
||
|
АБС-пластмассы |
370 |
400 |
65-70 |
10-15 |
|||
|
65 |
700 |
- |
- |
50-55 |
10-20 |
||
|
Полиэтилен |
80 |
1460 |
- |
- |
80-85 |
15-20 |
|
|
Полипропилен |
80 |
1460 |
- |
- |
80-90 |
20-30 |
|
|
АГ 4с |
15 |
770 |
460 |
- |
105-110 |
15-20 |
|
|
Дозированный стек- |
15 |
770 |
460 |
- |
90-95 |
15-20 |
|
|
ловолокнйТ ДСВ-2Р-2М |
|||||||
|
Поликарбонат |
- |
- |
- |
300 |
100-105 |
20-30 |
После выполнения операции травления необходимо очень тщательно отмыть поверхность пластмассовых деталей от остатков кислот и других компонентов травильных растворов. Поэтому промывка деталей производится последовательно в трех промывочных ваннах:
промывка в холодной проточной воде 1-2 мин;
промывка в горячей проточной воде 15-30 с;
промывка в холодной проточной воде 15-30 с,
1.3 Активация поверхности
Сенсибилизирование. Реакции химического восстановления металлов (медь, никель) являются реакциями автокаталитическими, т.е. металл, образовавшийся в результате химического восстановления из раствора, катализирует дальнейшую реакцию восстановления этого же металла. Но для начального периода восстановления металла необходимо, чтобы покрываемая поверхность имела каталитические свойства, которые создаются в результате выполнения операции, получившей название активирование. Активирование заключается в том, что на обрабатываемую поверхность наносятся химическим путем чрезвычайно малые количества металлов, являющихся катализаторами реакции химического восстановления. Такими катализаторами являются коллоидные частицы или малорастворимые соединения палладия, платины, золота, серебра. Наибольшее распространение получил палладий как - более дешевый металл и металл, обладающий высокой каталитической активностью.
Образование каталитического слоя в вид$ металла, находящегося в коллоидном состоянии, - процесс весьма сложный и осуществляется обычно в две стадии:
· первая стадия - нанесение пленки раствора, восстанавливающего каталитический металл (палладий) из раствора его соли;
· вторая стадия - погружение в раствор соли металла - катализатора и восстановление его до металлического состояния в пленке раствора, прилегающей к поверхности диэлектрика. Первую стадию обработки называют сенсибилизированием, а вторую стадию - активированием.
В целом процесс образования каталитической поверхности называют сенсактивированием. В некоторых технологических процессах металлизации пластмасс обе стадии совмещают в одной операции.
Самым эффективным способрм сенсибилизирования является обработка поверхности в растворе солей двухвалентного олова. Одним из наиболее распространенных растворов сенсибилизатора является раствор состава, г/л:
Олово двухлористое SnCl2.2H20 20-25
Кислота соляная НС140-60
Соляная кислота необходима для - предотвращения гидролиза хлористого олова и получения стабильного прозрачного раствора. Раствор используется при комнатной температуре. Продолжительность выдержки пластмассовых деталей в растворе не является критичной и может колебаться в пределах от 0,5 до 15 мин. После извлечения деталей из раствора сенсибилизатора следует промывка в холодной проточной воде, назначение которой заключается главным образом в гидролизе хлористого олова, обволакивающего поверхность пластмассы, и образовании труднорастворимых основных солей олова, прочно адсорбирующихся на поверхности. Гидролиз хлористого олова происходит по реакции:
Активирование. Процесс активирования заключается в том, что на поверхности диэлектрика, сенсибилизированной двухвалентным оловом, происходит реакция восстановления ионов каталитического металла (палладия) по реакции
Металлический палладий в коллоидной форме равномерно распределяется тончайшим слоем по всей поверхности обрабатываемой детали. Для активирования рекомендуются составы растворов № 1 и 2, г/л:
Раствор № 1 рекомендован для любых типов пластмасс и других диэлектрических материалов. Раствор № 2 целесообразно применять в тех случаях, когда детали из диэлектрических материалов сопряжены с металлическими поверхностями (медь, латунь, бронза). Палладий в этом растворе находится в виде прочного аммиачно-трилонового комплекса, поэтому контактного выделения палладия на металле не происходит. Выдержка деталей в ванне активирования составляет 2-3 мин. После активирования следует промывка в непроточной воде (сборник), затем промывка в проточной воде и загрузка деталей в ванну химического меднения.
1.4 Химическое никелирование
Химическое никелирование металлических деталей широко применяется благодаря получению равномерности покрытий на деталях самой сложной формы, высокой твердости, их износо - и коррозиеустойчивости. В практике декоративной металлизации пластмасс для получения электропроводного слоя химическое никелирование успешно конкурирует с химическим меднением и на ряде предприятий вытесняет его. Основными преимуществами химического никелирования являются более высокая скорость осаждения покрытия, значительно лучшее сцепление его с некоторыми пластмассами (например, эпоксидные материалы), стабильность растворов.
Получение первичного металлического слоя химическим никелированием аналогично получению этого слоя химическим меднением. Все подготовительные операции, операции сенсибилизации и активизации производятся с применением одних, и тех же растворов.
Процесс химического никелирования, так же как и химического меднения, основан на восстановлении металла из раствора его соли под действием восстановителей. В качестве восстановителя никеля рекомендован ряд веществ, однако промышленное применение получили соли фосфорноватистой кислоты - гипофосфиты NaH2P02, КН2Р02 или Са (Н2Р02) 2.
Реакция восстановления никеля, как и реакция восстановления меди, является автокаталической, т.е. образовавшиеся в результате каталического действия металлического палладия (операция активации) частицы металлического никеля в дальнейшем становятся катализаторами процесса никелирования. На металлическом никеле протекает сопряженный процесс катодного восстановления никеля:
и анодного окисления иона гипофосфита:
Суммарная реакция процесса восстановления никеля выражается следующим образом:
Химическое никелирование сопровождается, как очевидно из этой реакции, выделением водорода и увеличением кислотности раствора вследствие накопления ионов водорода. Увеличение кислотности раствора (снижение величины рН) обусловливает падение скорости осаждения никеля и необходимость постоянного корректирования раствора добавлением щелочи. Образующиеся в растворе соли фосфитов по мере их накопления также снижают скорость восстановления никеля и при значительной концентрации их растворы подлежат замене. Предельно допустимые количества фосфитов зависят от характера применяемого раствора. В процессе химического никелирования имеет место и ряд побочных реакций, которые оказывают влияние на качество никелевого покрытия и расход материалов. Так, в результате катодного восстановления гипофосфита выделяется фосфор по реакции:
Выделившийся фосфор включается в состав никелевого покрытия и присутствует в нем в виде фосфида Ni2P. Количество фосфора в покрытии, зависит от типа применяемого раствора. При использовании кислых растворов содержание фосфора в никеле составляет 6-15%, при использовании щелочных - 3-7%. Наличие фосфора в никелевом покрытии придает ему повышенную твердость и износоустойчивость, ухудшает электропроводность.
Температура раствора оказывает основное влияние на скорость выделения никеля. Так, например, при температуре 50° С скорость образования никелевого покрытия составляет 4 мкм/ч; при повышении температуры до 90° С скорость выделения никеля возрастает до 12 мкм/ч.
С целью стабилизации растворов в их состав рекомендуется вводить в небольших количествах вещества - стабилизаторы: тиомочевину, гипосульфит натрия, хромовокислый свинец и другие соединения, содержащие серу или такие металлы, как свинец, сурьма. Вещества - стабилизаторы обладают способностью адсорбироваться на каталитической поверхности, вызывая пассивацию ее, и этим замедляют или прекращают совсем процесс восстановления никеля. Следует, однако, иметь в виду, что увеличение концентрации веществ-стабилизаторов в растворе может привести к полному прекращению процесса осаждения никеля, поэтому нужно быть особо внимательным при введении их в раствор.
Для металлизации диэлектриков возможно применение как кислых, так и щелочных растворов, однако более стабильные результаты достигаются при использовании щелочного раствора следующего состава, г/л:
Раствор нагревается до температуры 80-90° С. Продолжительность никелирования 10-12 мин. За этот период при плотности загрузки 1-2 дм2/л осаждается 2-3 мкм никеля.
Из большого числа вариантов кислых растворов наиболее простым и хорошо зарекомендовавшим себя в практике является раствор состава, г/л:
Раствор нагревается до температуры 90-95° С. Продолжительность никелирования для получения покрытия толщиной 2-3 мкм 10-15 мин. Для обеспечения нормальных условий работы растворов необходимо, чтобы плотность загрузки не превышала 1 дм2/л. В этом случае растворы легко корректировать, поддерживая величину рН добавлением 5% -ного раствора едкого натра и введением концентрированных растворов соли никеля и гипофосфита через 1,5-2 ч работы. Щелочной раствор подщелачивается раствором аммиака.
1.4 Электролитическое нанесение покрытия
В случае осаждения химической меди для его закрепления наносят слой меди 3-5 мкм Из стандартного сульфатного электролита меднения с последующим осаждением меди из сульфатного электролита с блескообразующими добавками.
Ленинградским технологическим институтом имени Ленсовета разработана блескообразующая добавка ЛТИ, которая обеспечивает получение зеркальных блестящих покрытий в электролите следующего состава, г/л:
Электролит используется при комнатной температуре (18-25° С) и допускает применение катодной плотности тока DK = 35 А/дм2 при перемешивании электролита путем покачивания покрываемых деталей.
В том случае, когда от покрытия не требуют декоративных качеств, медное покрытие можно получать в обычном сульфатном, борфтористоводородном, пирофосфатном и других электролитах. По слою меди осаждаются другие виды покрытий с использованием электролитов и режимов, принятых в гальванотехнике.
В том случае, когда вместо химического меднения произведено химическое никелирование, можно исключить операцию гальванического меднения, а осуществить гальваническое никелирование непосредственно по слою химического никеля. В этом заключается одно из преимуществ химического никелирования по сравнению с химическим меднением. При этом следует иметь в виду необходимость осаждения гальванического никеля на слой свежеосажденного химического никеля. В случае разрыва процесса перед гальваническим никелированием нужно ввести операцию декапирования в 5% -ном растворе соляной кислоты для удаления тончайших пассивных пленок, образующихся на никеле после сушки или хранении в воде.
Характерной особенностью технологии металлизации диэлектриков является применение подвесочных приспособлений, изготовленных также из диэлектрических материалов. В качестве подвесок могут служить рамки, сетки из текстолита, стеклотекстолита, АГ-4 и из других полимерных материалов. При выполнении операции химического никелирования подвеска из диэлектрического материала также покрывается металлом при химическом восстановлении и на нее в последующем осаждаются все металлы которые наносятся на поверхность деталей из пластмассы. Металлизированная подвеска не пригодна для повторного цикла, так как наличие металла недопустимо при выполнении операций сенсактивации. Поэтому после кажого цикла металлические покрытия с подвесок необходимо стравливать, выбирая травильный раствор в зависимости от природы металлического покрытия. На крупных предприятиях, где металлизация пластмасс осуществляется на автоматических линиях, устанавливают специальную автоматическую линию для снятия металла с подвесочных, приспособлений. Технологический процесс химико-электролитической металлизации пластмассовых деталей с учетом всех вспомогательных операций представлен на схеме 1.
Для обеспечения хорошего качества покрытия и стабильной работы растворов следует руководствоваться следующими основными правилами:
· загружать детали в ванну таким образом, чтобы они не касались стенок ванны, так как при этом возможно осаждение никеля на стенки ванны и разложение раствора;
· своевременно корректировать раствор по величине рН и основным компонентам;
· не допускать превышения поверхности загружаемых деталей выше нормы, так как это приводит к ускоренному истощению растворов и снижению толщины покрытия;
· детали следует располагать на подвесках так, чтобы обеспечить свободный выход водорода из углубленных мест и не допустить образования "газовых мешков";
· тщательно фильтровать растворы, не допуская попадания механических примесей, которые могут стать центрами осаждения никеля в объеме раствора;
· тщательно промывать детали после операции активирования зо избежание заноса в раствор химического никелирования солей палладия [3].
2. Новейшие достижения в нанесении никеля на поверхность диэлектриков
В настоящее время разработан метод получение никелевого покрытия на силикатное и молибденовое стекло за счет реакции восстановления соли Ni (II) гиброксиметансульфинатом натрия - ронгалитом или диоксидом тиомочевины. Так, образцы стекла подвергаются травлению в течении 40 минут при Т=343К раствором К2Cr2О7 (0,3моль/л) в концентрированной серной кислоте (=1,83г/мл). Раствор кислоты вытесняет кремнекислоту из силикатов, которая быстро полимеризуется и коагулирует в гель на поверхности, частично переходя в раствор.
Между тем, экспериментальные данные [4] позволяют рекомендовать не кислотное, а щелочное травление обычного силикатного стекла. Для этой цели используют раствор NaOH (концентрацией не более 15%), время травления от 5 до10 минут при Т=343К. При такой обработке щелочь превращает кремнезем в стабильные анионы SiO44-, SiO52-,SiO32-. Катионы находящиеся в стекле дают гидроокиси или соединения цинкатов и алюминатов. Все эти процессы приводят к нарушению гладкости поверхности стекла и увеличивают её адгезионную способность. С целью придания поверхности диэлектрика каталитической активности в настоящее время вместе с традиционными палладиевыми способами используют недефицитные соединения - соли переходных металлов. Например, используется коллоидный раствор Cu в желатине, причем адгезионная прочность и толщина получаемого Ni покрытия сопоставима с соответствующими характеристиками в случае активации - сенсибилизации солями Pd и Sn. При этом в стадии металлизации образцов стекла использовали растворы аммиачного комплекса никеля и растворы восстановителей ДОТМ и ГМС [4].
Несмотря на достаточно большое разнообразие электролитов никелирования, исследования по разработке новых растворов для электроосаждения никеля не прекращаются, что обусловлено не только возрастающими требованиями к покрытиям, но и экологическими соображениями.
На основе выполненных исследований [5] для осаждения полублестящих и блестящих покрытий никеля можно рекомендовать как разбавленный электролит: сульфат никеля 19-22г/л (на металл), молочная кислота (80% -ная) 20мл/л, рН 4,0; так и концентрированный раствор: сульфат никеля42-52 г/л (на металл), молочная кислота (80% -ная) 30мл/л, рН 3-3,5.
Из разбавленного раствора при плотности тока до 2 А/дм2 и температуре 20 - 30?С осаждаются покрытия с выходом по току 80-85%, а из концентрированного при катодной плотности тока до 3 А/дм2 и температуре 20-30?С с ВТ 60-80%. Из данных электролитов осаждаются мелкокристаллические, блестящие или полублестящие покрытия никелем сфероидного типа без дополнительного введения блескообразующих добавок. Рекомендуемые Электролиты имеют следующие преимущества:
· Комплекс никеля с молочной кислотой может быть легко разрушен на стадии очистки сточных вод путем повышения рН выше 5;
· Разбавленный электролит имеет в 3-6 раз меньшую концентрацию сульфата никеля, чем стандартный электролит никелирования и тем самым обеспечивается снижение выноса ионов никеля из ванны и, следовательно, во столько же раз уменьшается их поступление на очистные сооружения.
· Электролиты сравнительно просты по составу, не содержат токсичных органических добавок, позволяют получать покрытия хорошего качества с высоким выходом по току без дополнительного введения блескообразующих добавок.
· Диапазон рабочих температур в данных электролитах снижен по сравнению с известным электролитом блестящего никелирования до 20-25?С и, следовательно, отпадает необходимость принимать дополнительные меры по уменьшению испарения с поверхности электролита.
В последние годы был исследован процесс электроосаждения никеля из ацетатно-хлоридных электролитов с концентрацией никеля по металлу 0,3 и 0,5 М в импульсных режимах электролиза [6]. Было установлено, что электроосаждение никеля из ацетатно-хлоридных электролитов без перемешивания приводит к улучшению внешнего вида покрытий по сравнению со стационарным режимом. Выход по току никеля в импульсных режимах электролиза незначительно отличается от ВТ в режиме стационарного электролиза и изменяется в пределах от 86 до 91%. Импульсный режим позволяет повышать допустимую катодную плотность тока получении осадков никеля хорошего качества (без питтинга и включений гидроксидов). При использовании импульсных режимов и перемешивания электролита получаются беспористые никелевые покрытия при толщине осадка 9 - 12 мкм в отличие от стационарного режима, при котором малопористые покрытия получены лишь при толщине свыше 24мкм. Микротвердость осадков никеля, полученных в импульсном режиме электролиза превышает в 1,5 раза микротвердость осадков никеля, полученных в стационарном режиме.
Также, в последнее время большой интерес вызван к методу лезерно-индуцированного осаждения металла из раствора (ЛОМР) [7]. Это обусловлено перспективой его применения в микроэлектронике и технике благодаря возможности создавать различные металлические структуры на поверхности диэлектриков без фотошаблона. Излучение лазера активирует поверхность диэлектрика и ускоряет реакцию металлизации в облученной области за счет увеличения температуры в локальном объеме, находящемся в фокусе лазерного луча. Высокая интенсивность сфокусированного излучения, особенно при использовании импульсных лазеров, создает сильно неравновесные состояния с большими температурными и концентрационными градиентами.
Можно отметить следующие специфические особенности лазерно-индуцированного осаждения.
1. Точечная локализация реакции в небольшом объеме раствора, незначительно повышающем размеры фокуса лазерного луча (5мкм).
2. Высокая температура в зоне локализации, значительно превышающая обычно используемый для осаждения температурный интервал (до 100?С).
3. Высокий температурный градиент между зоной реакции и объемом раствора (более 3106 градм-1).
4. Наличие в зоне реакции излучения с высокой плотностью потока энергии (порядка 105 Втсм-2).
5. Протекание в зоне фокусировки лазерного луча побочных химических реакции, в которых участвуют те же компоненты раствора, что и в основной автокаталитической реакции.
Как следствие, для большинства известных растворов с протекающими в них автокаталитическими реакциями результат лазерно-индуцированного осаждения существенно отличается от результатов процесса обычного химического нанесения металлического покрытия. Способы нанесения никеля на поверхность диэлектриков и полупроводников различаются в зависимости от используемого материала. Для устойчивых к лазерному излучению керамических и монокристаллических диэлектриков может быть применен метод прямого лазерного облучения поверхности на воздухе, в контакте с инертным растворителем или в контакте непосредственно с раствором никелирования. Для полимерных материалов больше подходят косвенные методы без непосредственного облучения лазером поверхности полимерной подложки. Исключение составляют термопластичные материалы (устойчивые при нагревании свыше 300?С) и материалы, содержащие включения порошка оксидов Al, As, Sn, Sb, от 4-12 масс. %. На таких подложках может быть проведено локализованное осаждение никеля путем облучения материала лазером с длиной волны <350нм на воздухе, с последующим помещением подложки в раствор химического никелирования.
2.1 Проблемы экологии при никелировании диэлектриков
Традиционно сложившиеся нормы химического никелирования на сегодняшний день являются неудовлетворительными в плане их эффективности, так и экологичности. Основными причинами являются: неуправляемость автокаталитической реакции химического осаждения никеля, весьма чувствительной к воздействию различных факторов (температура, рН, состав электролита), присутствие примесей и незамкнутость технологического процесса. Первая обуславливает низкую эффективность технологии, вторая приводит к необратимому стоку большого объема растворов, а вместе с тем к экономическим и экологическим проблемам. В современной постановке вопроса о химических технологиях представляется целесообразным не просто дальнейшее углубление знаний о процессе, а разработка принципиально нового подхода: формирование физико-химических основ управляемой и экологически безопасной технологии химического никелирования.
Для создания замкнутой технологии химического никелирования решается также задача селективного возврата компонентов реакционной системы с использованием современных разделительных методов: электродиализа и ионного обмена. С их применением становится возможным регулирование состава электролита не только по исходным компонентам, но и по продуктам реакции. Селективность электромассопереноса при одновременном присутствии в растворе ионов металла, комплексообразующих и буферирующих добавок обеспечивается определенным соотношением ионных равновесий.
Заключительный этап регенерации сводится к сорбционному извлечению неиспользуемого Ni. Для этого наиболее эффективны комплексообразующие сорбенты с пиридинкарбоновыми и иминодикарбоновыми функциональными группами. Такие сорбенты позволяют выделять ионы Ni из отработанных растворов в присутствии других компонентов, концентрировать их и возвращать в производство в виде солей. Сорбция Ni на этих сорбентах наиболее эффективно проходит при рН 5,0 - 5,5. Повышенная обменная емкость при этом объясняется образованием более устойчивого пятичленного комплексного цикла иона Ni с ионогенными группами по тиру хелатов за счет полной диссоциации карбоксильных групп.
На основании проведенных исследований [8] разработана принципиальная схема извлечения Ni из растворов химического никелирования. Электролит поступает в усреднитель, затем на механический фильтр, и после чего в ионообменную колонну, загруженную амфолитом. Скорость пропускания раствора не более 0,2 м/ч (до появления ионов Ni в фильтрате). Затем подключается вторая колонна а первая остается на доработке до насыщения ионами Ni. При полном насыщении сорбента никеля проводят его десорбцию (скорость 0,2 м/ч), десорбент выбирается в зависимости от потребности тои или иной соли в производстве. Первую половину регенерата собирают в емкость для первой фракции и после удаления избытка кислоты на ионообменнике он может быть использован для приготовления нового электролита. В некоторых случаях нейтрализацию можно также проводить гидроксидом аммония. Вторая часть регенерата поступает в дополнительную емкость, где доводится до исходной концентрации по кислоте и направляется для вторичной регенерации. Данная технология позволяет предотвратить сброс токсичных соединений Ni в водоемы и максимально использовать дефицитный материал в производстве.
В данной работе хотелось бы разобрать еще один подход - улавливания и повторного использования никелевых солей в процессе никелирования (на примере опыта ВАЗа) [9]. Регенерация никелевых солей заключалась в осаждении гидроокиси никеля щелочью (рН 8,5 - 9,5), её фильтрации на фильтр-прессе и растворение в реакторе (рН 1,5 - 2) 30% -ным раствором серной кислоты. Состав образующегося раствора позволяет использовать его для корректировки рабочего электролита, не опасаюсь его загрязнения. Установка регенерации никеля (рис.2) работает следующим образом.
Промывная никельсодержащая вода поступает в приемный резервуар (1), откуда периодически подается в реактор (2). Сюда же подается 30% -ный раствор едкого натра. Подача щелочи и поддержание рН (рН 8,5 - 9,5) производится автоматически. Образовавшаяся суспензия гидроокиси никеля перекачивается в отстойник (3) и затем насосом подается на фильтр-пресс (4), который снабжен устройствами для промывки осадка водой и продувки воздухом.
Получаемая масса с влажностью 80% сбрасывается в реактор (5), где растворяется в 30% -ной серной кислоте. Полное растворение достигается при рН 1,5 - 2,0. Количество никелевых солей возвращаемых в ванны никелирования составляет не менее 97%.
Заключение
Даны необходимые сведения о процессах химико-электролитической металлизации диэлектриков, приведены основные закономерности химического никелирования. Указаны особенности электролитического никелирования пластмасс. Подробно описаны способы подготовки поверхности к металлизации, приведены составы растворов для данных процессов, а также правила для обеспечения хорошего качества покрытия и стабильной работы растворов.
Особое внимание было уделено новейшим разработкам в области металлизации диэлектриков. Подробно рассмотрены такие темы как никелирование стекла, лазерно-индуцированное осаждение никеля из растворов и электроосаждение никеля из кислых сульфатных электролитов, содержащих молочную кислоту.
Уделено внимание и проблемам экологии при никелировании диэлектриков, т.к. традиционно сложившиеся нормы химического никелирования на сегодняшний день являются неудовлетворительными в плане их экологичности. Приведено два способа решения экологических проблем на производстве никелирования диэлектрических основ.
Список используемой литературы
1. Ильин В.А. Металлизация диэлектриков /В.А. Ильин. - Ленинград: Изд-во Машиностроение, 1977. - 80 с.
2. Брандес М. Металлизация пластмасс. Основы и процессы, современное состояние и разработки, нацеленные на будущее / Брандес М. // Гальванотехника и обработка поверхности. - 2011. - №1. - С.46-49.
3. Ильин В.А. Металлизация диэлектриков /В.А. Ильин. - Ленинград: Изд-во Машиностроение, 1977. - 80 с.
4. Терская И.Н. Химическое никелирование стекла с применением серосодержащих восстановиетлей / И. Н Терская, Т.В. Еремеева, Л.В. Ермолина // Химия и химичекая технология. - 2007. - №2. - С.41 - 44.
5. Электроосаждение никеля из кислых сульфатных электроилитов, содержащих молочную кислоту/ Ю.П. Перелыгин, С.Ю. Киреев, В.В. Липовский, Н.В. Ягниченко // Гальванотехника и обработка поверхности. - 2008. - №2. - С.14-16.
6. Пеганова Н.В. Электроосаждение никеля из разбавленного ацетатно-хлоридного электролита в импульсном режиме /Н.В. Пеганова, Т.Е. Цупак // Гальванотехнология и обработка поверхности. - 2007. - №4. - С.18 - 24.
7. Лазерно-индуцированное осаждение металлов: химические реакции в растворе и активация диэлектрических поверхностей / В.А. Кочемировский, Л.Г. Менчиков, С.В. Сафонов и др. // Успехи химии. - 2011. - №9. - С.905 - 920.
8. Соцкая Н.В. Новые физико-химические принципы управления процессом химического никелирования / Н.В. Соцкая, Т.А. Кравченко, М.Ю. Хазель // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1993. - №3. - С.49 - 52.
9. В.В. Окулов. Улавливание и повторное использование никелевых солей в процессе никелирования (опыт ВАЗа) / В.В. Окулов, Л.А. Бринько // Гальванотехника и обработка поверхности. - 1993. - №2. - С.69 - 70.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Области применения химического никелирования. Подготовка поверхности перед нанесением покрытия. Условия образования никелевых покрытий. Влияние отдельных факторов на скорость восстановления никеля. Физические, химические и защитные свойства покрытия.
дипломная работа [376,3 K], добавлен 02.10.2012Некоторые особенности переработки окисленных никелевых и сульфидных медно-никелевых руд. Подготовка никелевых руд к плавке на штейн. Конвертирование никелевых штейнов. Окислительный обжиг файнштейна. Восстановительная плавка. Гидрометаллургия никеля.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 08.03.2015Основные пассивные функции диэлектриков в составе микроэлектронных и оптоэлектронных устройств. Примеры объемных и поверхностных удельных сопротивлений диэлектриков. Электрическая прочность и ее виды. Полимеры и техническая керамика и ее применение.
реферат [898,1 K], добавлен 15.12.2015Электрохимическое осаждение никеля. Назначение и свойства электролитических никелевых покрытий. Двухслойные и трехслойные покрытия и технологические особенности их нанесения. Электрохимическое обезжиривание, сравнительная характеристика растворов.
контрольная работа [27,5 K], добавлен 19.12.2009Химическое никелирование: металлов, пластмасс и неорганических диэлектриков. Химическое кобальтирование, меднение, осаждение драгоценных металлов, серебрение, золочение, платинирование. Оборудование для химического осаждения металлических покрытий.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 13.12.2007- Исследование процесса движения частиц в газоплазменном потоке при газотермическом нанесении покрытий
Характеристика основных закономерностей процесса газотермического нанесения покрытий. Устройство плазматрон. Преимущества технологии газотермического нанесения покрытий. Моделирование воздействия концентрированного потока энергии на поверхность.
контрольная работа [3,2 M], добавлен 16.06.2013 Виды и свойства керамических покрытий, способы получения. Электронные ускорители низких энергий в технологиях получения покрытий. Нанесение покрытий CVD-методом. Золь-гель технология. Исследование свойств нанесенных покрытий, их возможные дефекты.
курсовая работа [922,9 K], добавлен 11.10.2011Понятие и основные этапы вакуумной металлизации как процесса формирования покрытий путем испарения металлов в вакууме и конденсации их на поверхности полимеров. Главные условия эффективного применения данной методики. Свойства полимерных материалов.
курсовая работа [178,2 K], добавлен 12.03.2016Физико-химические свойства никеля. Технологические особенности процесса никелирования. Выбор толщины покрытия. Приготовление и корректировка электролитов. Определение продолжительности обработки деталей. Расход химикатов на выполнение годовой программы.
курсовая работа [467,8 K], добавлен 13.10.2017Значение подготовки поверхности окрашиваемых материалов для получения качественных покрытий. Способы подготовки поверхности перед окраской. Структура многослойных покрытий и процессы пленкообразования. Классификация и хранение лакокрасочных материалов.
реферат [31,4 K], добавлен 11.10.2013
