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铜业技术重点归纳之电镀铜原理

2019年03月12日 栏目:美食

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镀铜是在电镀工业中使用最广泛的一种预镀层,包括锡焊件、铅锡合金、锌压铸件在镀镍、金、银之前都要镀铜,用于改善镀层结合力。

电镀铜用于铸模,镀镍,镀铬,镀银和镀金的打底,修复磨损部分,防止局部渗碳和提高导电性。分为碱性镀铜和酸性镀铜二法。通常为了获得较薄的细致光滑的铜镀层,将表面除去油锈的钢铁等制件作阴极,纯铜板作阳极,挂于含有氰化亚铜、氰化钠和碳酸钠等成分的碱性电镀液中,进行碱性(氰化物)镀铜。为了获得较厚的铜镀层,必须先将镀件进行碱性镀铜,再置于含有硫酸铜、硫酸镍和硫酸等成分的电解液中,进行酸性镀铜。此外,还有焦磷酸盐、酒石酸盐、乙二胺等配制的无氰电解液。焦磷酸盐电解液已被广泛采用。

电镀铜原理如下:

电镀铜原理

电镀实际是化学中的电解池,可以理解为在电力的驱动下,正极从铜板抽取电子,然后先像水泵一样把电子打到钢丝表面。

铜板失去电子成为铜离子,离子可以在溶液中呈现游离态,如蝌蚪游泳。在钢丝表面,富集了大量电子,溶液与钢丝接触的表面的铜离子很快就得到电子,还原成铜原子跑到钢丝表面形成镀层。

离子状态的铜在溶液中是蓝色的,而原子状态的铜在阳光下是亮金黄色。

溶液与钢丝接触的最紧密的一层,称为扩散层,是一个靠浓度传递的接触层,可以想象,在这个接触层,铜离子拼命地想游到钢丝表面得到电子,如果铜离子跟不上供给,那么水中的H+也会得到电子生成氢气,生成氢气的过程属于副反应,生成铜的属于正反应,正反应的比例我们称为电流效率;能否来得及供给实际上反映的是电子流速,我们称为极限电流密度。

下面将提出几个概念以便更全面了解电镀铜原理

A.铜离子活度:由溶液中的所有离子的浓度以及铜离子浓度决定,增函数;

B.铜电极电位:由铜离子活度和温度决定,增函数,决定电镀工作电压;

C.极限电流密度:与铜离子的扩散系数,铜离子的浓度成正比,与扩散层的厚度成反比

从这几个概念可以看出,铜离子浓度越高应该是活度越高,但是电位也越高。温度越高,电位也是越高,扩散层厚度越大,电流密度越小;

上面提到的扩散层,对于电流密度有着重要意义,由于电流密度和设备的设计决定实际生产时的最大电流,最后决定产量,所以扩散层对产能问题有着直接影响。

有文献称极限电流密度状况下是能斯特扩散层模型,比如在某浓度的铜离子中,从本体溶液到离钢丝表面的这段距离内,本体浓度为C,越向钢丝,浓度呈现线性下降趋势,一直到钢丝表面浓度为0,这段距离很短,可以假定在这个流体层是静止的,在超过这个距离,浓度可以被认为就是和本体一样,都是C,铜离子必须通过穿越这个扩散层才能到达钢丝表面。

在极限电流密度的能斯特扩散区,铜离子一到达钢丝表面就减少,迅速变成铜原子固体,这个时候接触表面浓度就是0,沉积反应的速率由铜离子到钢丝表面的运输速度决定。

如果钢丝上施加比这个时候的极限电流更大的电流,那么在钢丝表面电位就发生进一步变化,也就导致上面所说的其他比如的H+还原。

在开篇时提到,钢铁直接暴露在酸铜溶液中,不用施加电位就会发生置换反应,所以在厚镀铜的要求下,需要对钢丝进行保护,在钢丝不腐烂的情况下使钢丝表面镀一层比铜更不活跃或者相同活跃的金属,使他们不发生置换反应,而发生致密的电沉积。

初中化学讲到,金属的活动性顺序为:

钾-钙-钠-镁-铝-锌-铁-锡-铅-(氢)-铜-汞-银-铂-金;另外镍也是非活泼金属,由于比铜懒惰的金属都是贵金属,会导致生产成本加大,所以采用了预镀铜工艺,使用的媒介是传统的NaCN/CuCN溶液。

由于在氰化溶液中多种络合物,使沉积电位大幅度负移,这就避免了钢丝基底上生成置换铜层,简单理解是,

铜业技术重点归纳之电镀铜原理

这个溶液把钢丝保护起来,不会让钢丝与铜离子发生反应,否则就会生成虚铜。

包括当前改进的以KOH浓度185g/L以及CuSO4浓度45g/L为基底的无氰电镀工艺,也必然是需要靠电位控制才能保障电镀效果的工艺方法。

电镀铜工艺过程:预镀镍清洗镀铜清洗出光清洗钝化或氧化清洗下挂具清除保护物除氢检验油封。

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