电沉积工艺条件―Hull槽试验及镀层的结构与性能的测试

1、材料结构与性能测试开放实验镍电沉积及镀层的结构与性能的测试电沉积工艺条件-Hull槽试验名：学号：专业：材料化学院系：理学院化学与化工系指导教师：起止日期：2011年10月14日至2011年11月10日镍电沉积及镀层的结构与性能的测试电沉积工艺条件一Hull槽试验摘 要 电沉积是用电解的方法在导电基底的表面上沉积一层具有 所需形态和性能的金属沉积层的过程Hull槽实验是电镀工艺中最常 用、最直观、半定量的一种实验方法。它可以简便且快速地测试镀液 性能、镀液组成和工艺条件的改变对镀层质量产生的影响。通过此实 验，通常可以用于确定镀液中各种成分的合适用量；选择合适的工艺 条件；测定镀液中添加剂或杂

2、质的大致含量；分析、排除实际生产过 程中出现的故障；测定镀液的分散能力。关键词 电沉积、Hull槽、定镣镀、镀层前言电沉积是用电解的方法在导电基底的表面上沉积一层具有所需形态和性能 的金属沉积层的过程。传统上电沉积金属的目的，一般是改变基底表面的特性， 改善基底材料的外观、耐腐蚀性和耐磨损性。现在，电沉积这一古老而又年轻的 技术正日益发挥着其重要作用，已广泛应用于制备半导体、磁膜材料、催化材料、 纳米材料等功能性材料和微机电加工领域中。Hull槽实验是电镀工艺中最常用、最直观、半定量的一种实验方法。它可以 简便且快速地测试镀液性能、镀液组成和工艺条件的改变对镀层质量产生的影 响。通过此实验，通

3、常可以用于确定镀液中各种成分的合适用量；选择合适的工 艺条件；测定镀液中添加剂或杂质的大致含量；分析、排除实际生产过程中出现 的故障；测定镀液的分散能力。实验原理电沉积过程中，由外部电源提供的电流通过镀液中两个电极（阴极和阳极） 形成闭合的回路。当电解液中有电流通过时，在阴极上发生金属离子的还原反应， 同时在阳极上发生金属的氧化（可溶性阳极）或溶液中某些化学物种（如水）的氧 化（不溶性阳极）。其反应可一般地表示为：阴极反应：Mn+ + n e = M副反应：2 H+ + 2 e = H2 （酸性镀液）2 H2O + 2 e = H2 + 2 OH-（碱性镀液）当镀液中有添加剂时，添加剂也可能在

4、阴极上反应。阳极反应：M - n e = Mn+ （可溶性阳极）或2 H2O - 4 e = O2 + 4 H+ （不溶性阳极，酸性）镀液组成（金属离子、导电盐、配合剂及添加剂的种类和浓度）和电沉积的 电流密度、镀液pH值和温度甚至镀液的搅拌形式等因素对沉积层的结构和性能 都有很大的影响。确定镀液组成和沉积条件，使我们能够电镀出具有所要求的物 理-化学性质的沉积层，是电沉积研究的主要目的之一。本实验通过电沉积镍和沉积层结构与性能的研究分析，使学生掌握金属电沉 积的基本原理和基本的研究方法，初步了解电沉积条件对镍沉积层结构与性能的 影响，认识电镀过程中添加剂的作用。电沉积镍过程的主要反应为阴极：

5、Ni2+ + 2 e = Ni阳极：Ni - 2 e = Ni2+在整个沉积过程中，实际上至少包含了溶液中的水合（或配合）镍离子向阴极表 面扩散、镍离子在阴极表面放电成为吸附原子（电还原）和吸附原子在表面扩散 进入金属晶格（电结晶）三个步骤。溶液中镍离子的浓度、添加剂与缓冲剂的种 类和浓度、pH、温度及所使用的电流密度、搅拌情况等都能够影响电沉积的效 果。用Hull槽试验能够在较短的时间内，用较少的镀液得到较宽电流密度范围 内的沉积效果。明极图1 Hull槽结构示意图图2 Hull槽样板及镀层状况记录符号Hull槽是梯形结构的镀槽，阴、阳极分别置于不平行的两边，容量主要有1000 mL和267

6、 mL两种。一般常在267 mL的Hull槽中加入250 mL镀液，便于 折算镀液中的添加物种的含量。Hull槽的结构见图1所示。由于阴阳极距离有规 律的变化，在固定外加总电流时，阴极上的电流密度分布也发生有规律的变化。 在267 mL Hull槽中加入250 mL镀液，总电流为1 A，阴极上的电流分布见表1。 Hull槽试验对镀液组成和操作条件的变化非常敏感。因此常用来确定镍镀液各组 分的浓度、pH和获得良好沉积层的电流密度范围。Hull槽实验结果可用图示记录，如图2所示。沉积电流密度范围一般为图2 中的 bc 范围（图中 ab = ad / 2 , cd = bd / 3 ）。表1. 26

7、7 mL Hull槽中250 mL镀液时阴极上的电流分布（总电流1 A）近端蹒cm)1234567S940度由血）5.453.742.782.081.541.090.720.400.11实验过程中，电沉积实验前必须仔细检查电路是否接触良好或短路，以免影 响实验结果或烧坏电源；阴极片的前处理将影响镀层质量，因此要认真，除油和 酸洗要彻底；加入添加剂时要按计算量加入，不能多加；新配镀液要预电解；电 镀时要带电入槽、电镀过程中镀液挥发应及时用去离子水补充并调整pH值。实验部分3.1实验仪器和试剂Hull槽，直流稳压电源，电流表，恒温槽，电吹风，导线，镍板阳极，不锈 钢或铜片阴极；硫酸镍，氯化钠，硼酸

8、，除油液和酸洗液。3.2实验步骤基础镀液的配制按下列配方配制500 mL基础镀液：300 g/L10 g/L35 g/L3.5 4.555 65 oC300 g/L10 g/L35 g/L3.5 4.555 65 oCNaClH3BO3 pH 温度将267 mL Hull槽用水洗净后，加入250 mL基础液，置于恒温槽中，进行下面的 实验。将Hull槽阴极片（10 cmX7 cm的不锈钢或纯铜片）用金相砂纸磨光，经碱除油和30% HCl弱腐蚀，用自来水和去离子水逐次认真清洗后，带电置于Hull 槽中，用镍为阳极，以1 A的电流沉积10 min。取出阴极片，用水冲洗干净，经 干燥后观察并按图10

9、.2记录示意图记录阴极上镍的沉积情况，以及镀液组成和实 验条件。4在2的溶液中依次加入糖精、苯亚磺酸钠、镍光亮剂XNF和十二烷基硫酸 钠，使其浓度分别为1.0 g/L、0.1g/L、3 mL/L和0.1 g/L分别进行同2的实验和记录。在含所有添加剂的光亮镍镀液中，根据2的实验条件，比较镀液搅拌与 不搅拌、常温和实验温度下镍的沉积层质量，并进行记录。4、实验数据记录和处理表1不同添加字可镀层质量变化编号项目不锈钢1不锈钢2不锈钢3不锈钢4镀液体积/mL250250250250电镀前不锈钢 质量/g14.3315.4613.8815.37添加剂名称无糖精镍光剂和十二 烷基硫酸钠充气添加剂质量/g

10、00.250.75mL； 0.25g0.75mL； 0.25g电镀后质量/g15.5815.4815.4315.41质量增加/g1.250.021.550.04表2镣沉积层有关性能的测定性能项目正负电极距离光泽度（距离阳极端）厚度（距离阳 极端）强度阳极上镍的沉积情况近/cm中/cm远/cm近中远近中远无添加剂5.09.012.837.340.737.14332253有一层薄镀层添加糖精28.736.227.54335263表面有粗糙感添加镍光剂和十二烷基硫酸 钠31.236.631.64434235镀层较 厚添加镍光剂和十二烷基硫酸钠并充气搅拌58.13917.13831274很难看到镀层表

11、3测得厚度（距离阳极端）数据处理性能项目厚度（距离阳极端）/三次值求均值减误差近平均值中平均值远平均值无添加剂374548433033343224242625添加糖精424443433434363526262626添加镍光剂和十二烷基硫酸 钠444542443534333424232223添加镍光剂和十二烷基硫酸钠并充气搅拌373839385932323128272727实验结果与讨论不锈钢2和不锈钢4电镀前后的质量变化最小，可能是由于是由于电镀过 程中加入糖精和充入气体对电镀有抑制作用，反之不锈钢3变化质量最大说明加 入镍光剂和十二烷基硫酸钠对电镀有促进作用。通过对加入不同添加剂的镍沉积层光泽度和厚度的分析可知：无添加剂的 时候镍层光泽度（距离阳极端）中间和近处变化相对较大，而远处变化最大的是 充气搅拌，厚度变化最大的添加镍光剂和十二烷基硫酸钠的一次实验。实验结论通过对各组实验的数据对比分