铜包钨复合粉体的电沉积制备技术的研究

摘要

铜包钨粉是广泛应用于电接触材料、电极材料、军工材料、高密度合金以及电子封装和热沉材料等领域的先进包覆粉体复合材料。采用电镀的方法制备铜包钨粉克服了传统的化学镀方法出现的施镀效率低，镀液循环性差，产品不纯，环境污染等缺陷。
　　本文以粒径分布3-16μm钨粉为基体，采用间歇电镀的方法制备铜包钨粉，研究了电镀制备铜包钨粉的工艺和大超电势下铜的成核机理。并研究了铜包钨粉对钨铜复合材料显微组织结构及性能的影响。采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDX)、X射线衍射仪(XRD)等测试手段对复合粉体表面形貌、镀层表面的元素及相组成进行了分析。具体研究成果如下:
　　1、获得了合适的电镀工艺，CuSO4 60g·dm-3，浓H2SO4 40cm3·dm-3，十二烷基硫酸钠0.1g·dm-3，控制8-12g·dm-3钨粉装载量，用12-16A·dm-2阴极电流密度，在20-30h-1搅拌频率下对钨粉施镀，可以制得包覆完好的铜包钨粉复合粉体。镀层平均厚度约为2.5μm，铜含量可达到54.3wt％，钨铜复合粉体的制备效率大大提高。
　　2、铜离子在钨粉表面能量低的地方呈点状沉积，然后不断生长，最后扩展到整个钨粉表面形成包覆层，镀层均匀致密;EDX和XRD结果显示复合粉体中无杂质存在，表面的铜镀层以晶态形式存在，镀层较厚且包覆完整。
　　3、施加合适的电流密度和搅拌频率能够有效地控制铜在粉体上电镀，合适的搅拌频率，可以避免电镀过程钨粉的团聚现象，将电镀钨粉打碎并重新分散，促使内层粉体与表层粉体不断地变化、转换，保证粉体受镀的均匀性。
　　4、大超电势下铜的成核遵循瞬时成核机理，且沉积电势越负，铜的成核越向瞬时成核曲线方向偏移。大的电流密度下铜的成核密度大，有利于在大比表面积的钨粉表面形成均匀致密的铜镀层。
　　5、研究了有机添加剂在电解液中的作用，适量聚乙二醇能有效增大阴极极化，增大电化学反应电阻，提高极化超电势，使铜电结晶的成核尺寸减小，从而获得均匀致密的铜镀层。
　　6、铜包钨粉能够改善钨铜复合材料的组织均匀性，降低材料的孔隙度。铜基体形成连续三维导电网络结构，钨颗粒更趋弥散，增强了铜、钨间的界面结合力。钨铜复合材料的密度、硬度和导热导电性显著提高，热膨胀系数明显降低，钨铜复合材料的性能有显著提高。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 金属包覆型复合粉体材料的制备与应用

1．1．1 金属包覆型复合粉体的特点

1．1．2 金属包覆型复合粉体的制备方法

1．1．3 金属包覆型复合粉体的应用

1．2 钨铜复合材料

1．2．1 钨铜复合材料的研究进展

1．2．2 钨铜复合材料的性能与用途

1．2．3 钨铜复合材料的制备

1．2．4 钨粉化学镀研究进展

1．2．5 钨粉电沉积技术研究进展

1．3 课题研究的意义

1．4 课题研究基本构思及内容

第2章 铜包钨粉制备工艺的研究

2．1 实验材料与实验方法

2．1．1 实验原材料

2．1．2 实验试剂与设备

2．1．3 电镀装置设计

2．2 铜包钨粉制备工艺

2．2．1 钨粉前处理

2．2．2 电沉积制备铜包钨粉

2．2．3 产品钝化处理

2．3 检测技术

2．3．1 产品铜含量的检测

2．3．2 产品铜层厚度的测定

2．3．3 钨粉在镀液中沉降时间定性检测

2．3．4 产品形貌与成分检测

2．3．5 镀层结合力定性检测

2．3．6 包覆率的检测

2．3．7 电化学方法

2．3．8 阴极电流效率的计算

2．4 各种因素对电镀效果的影响

2．4．1 搅拌频率的影响

2．4．2 钨粉装载量的影响

2．4．3 电流密度的影响

2．4．4 电镀时间的影响

2．4．5 其他因素对电镀结果的影响

2．4．6 粉体形貌检测与物相分析

2．5 镀液成分确定与镀液成分变化分析

2．5．1 镀液成分确定

2．5．2 镀液成分变化分析

2．6 本章小结

第3章 大电流密度电沉积铜的成核机理研究

3．1 引言

3．2 大电流密度下电沉积铜的成核机理研究

3．2．1 电流-时间暂态曲线的测量

3．2．2 间歇电镀制备铜包钨粉机理

3．2．3 大电流密度下电沉积铜的成核机理研究

3．3 有机添加剂对铜电沉积过程的影响

3．3．1 有机添加剂的作用

3．3．2 有机添加剂对金属离子放电过程的影响

3．3．3 有机添加剂在镀液中的电化学行为研究

3．4 本章小结

第4章 钨铜复合材料性能研究

4．1 引言

4．2 粉末烧结理论

4．3 钨铜复合材料的制备

4．3．1 钨铜复合材料的制备

4．3．2 钨铜复合材料的微观组织结构与性能测试方法

4．4 实验结果与讨论

4．4．1 钨铜复合材料的显微组织结构分析

4．4．2 钨铜复合材料的力学性能及分析

4．4．3 钨铜复合材料的物理性能及分析

4．5 本章小结

第5章 工业化生产成本与经济效益分析

5．1 引言

5．2 工业生产设计

5．2．1 工艺路线设计

5．2．2 反应器设计

5．3 铜包钨粉生产成本与利润的计算与评估

5．4 社会效益分析

5．5 本章小结

结论

参考文献

附录 攻读学位期间所发表的学术论文

致谢