银包铝粉实验方案的研究

银包铝粉实验方案的研究

1导电材料的研究由于其份积小、延长快、金属光泽好、价格低廉等优点，铝被广泛应用于电子、航空和电子砂浆等领域。但是铝粉表面活性大,极不稳定,易与空气发生氧化还原反应,以致失去其本身的优点。因此,在应用中,须对其进行表面处理。使得处理后的铝粉既保持本身的密度轻,金属光泽好的优点,同时具有良好的导电性。银是贵金属,与铝的颜色相近,且其导电性优良,若在铝粉上包覆一层均匀而薄的银,在保持铝粉自身优势的同时,赋予铝粉良好的导电性,同时也大大降低了成本,所得产品可用于电磁屏蔽、导电浆料等领域。目前,用于这些领域的材料主要有如下几种:铜粉、镍粉、金粉、银粉以及金属混合粉。就以上各种导电粉体而言,铜粉价格便宜,成本低,但在制作过程中容易氧化,连接导电性不好,且不稳定;镍粉的性能与铜粉大体相似;金导电胶性能稳定、电阻率低,但价格贵,不适宜在工业中广泛应用;银导电胶综合性能比较好,在电子制造工业中应用成本偏高,有银迁移的缺陷。表面包覆粒子可以在一定程度上克服以上问题,因而成为现在研究的热点。目前,我国研究应用较多的主要包覆离子有银包铜粉、银包镍、银包玻璃微珠等,但是这些离子普遍存在密度大、颜色深等缺点。而本课题所研究的银包铝粉密度轻、所得浆料清,是电磁屏蔽以及导电浆料等的理想材料。因为课题难度较大,目前在我国还没有对其进行具体的研究。2试验部分2.1中温浸镍—研究方案根据铝的性质以及文献报道确定了以下8种工艺方案:(1)碱洗—镀银;(2)碱洗—中温浸铜—置换法镀银;(3)碱洗—中温浸镍—置换法镀银;(4)碱洗—稀盐酸活化—化学法镀银;(5)碱洗—稀盐酸活化—置换法镀银;(6)碱洗—稀盐酸活化—镀锌—置换法镀银;(7)碱洗—稀盐酸活化—酸性镀铜—置换法镀银;(8)碱洗—稀盐酸活化—特殊镀镍—置换法镀银。2.2不同的工艺和配方各工艺预处理溶液配方如表1所示。3结果与讨论3.1纳米粉体的活化及在镀层中的应用方案(1)中,银不发生反应。由Gibbs理论可知,银与铝的电位相差较大,它们之间的反应很容易进行。但是,直接在铝上包银是行不通的。因为在对粉体进行包覆时,除了要考虑理论上的可行性外,还需考虑实际操作的可行性。在实际操作中,粉体的活性是首先要考虑的问题,其次是基体与镀层的结合力。由碰撞理论可知,只有活性分子或离子的碰撞才能发生反应。而实验所使用的粉,由于在制备、包装和运输过程中,难免会混入杂质,同时,存在不同程度的氧化,故实验所使用的铝粉都是活性减弱或者是失去活性的。所以,在前处理过程中赋予粉体活性尤为重要。在包覆非金属的前处理过程中,需要用活化液将粉体进行活化后才能对粉体做包覆处理。鉴于此,在对金属包覆前的处理中,也需要活化粉体。大量文献表明,在对金属包覆前,先对金属进行酸洗,使粉体表面活化,并产生弱腐蚀作用,使之露出金属的结晶组织,以便增强镀层与基体金属的结合力。由于在方案(1)中,没有对粉体赋予活化,后续过程就难以进行。在方案(2)、(3)中,由于浸铜液和浸镍液是弱酸性的,其pH在3～4之间,而且浸铜、浸镍的时间较长,温度也较高,因此,对粉体会有一定程度的活化。但是,其活化程度不高,且不均匀,随机性较强。因此,在后续的镀银工艺中进展缓慢,并导致实验的重现性差,结果不稳定,所得的银包铝粉的电阻在20mΩ到10Ω之间。在方案(4)中,在经过稀盐酸活化后,铝粉的活性高,易与酸或碱反应,而化学镀银液的pH一般较高,因此,镀层中往往含有大量的氢,导致结合力不好。按方案(5),在实验过程中就能看见在溶液表面漂浮着一层银,说明了银和铝的结合力不好。由于铝是一种活泼金属,电极电位很负(E=-1.67V),在空气中极易氧化,形成氧化膜后E=-0.5V。而且铝比绝大多数金属的膨胀系数大,如常温下铝的膨胀系数为2.4×10-4,铜为1.67×10-5,而银为0.6×10-5,故铝粉中的包覆金属镀层易脱落,给铝及铝合金电镀带来很多困难。而且,金属细化成粉末后,由于表面发生了大的变化,导致性质也发生了较大的变化,例如,纳米粉体具有特殊的化学效应、磁化效应、电子隧道效应等等。至于铝本是很好的导电体,但是当细化为粉末时,就不导电(目前,还没有具体关于铝粉不导电原因的报道)。其次,铝是两性物质,既不耐酸也不耐碱,给包铝的操作条件如pH、温度以及络合剂的选择带来了一定的困难。因此,在方案(6)、(7)、(8)中,分别对锌、铜、镍作中间层进行了研究。方案(6)中,由于镀锌时铝粉团聚较为厉害,后续工艺也难以进行;方案(7)中,在镀铜的时候,铝粉表面反应比较均匀,包覆了一层薄而均匀的铜,后续工序进行也比较顺利,所得的银包铝在颜色和导电性上都比较满意;方案(8)中,由于在包覆镍的过程中,铝粉变黑,导致所得银包铝粉颜色较黑。8种实验方案比较如表2所示。由表2得知,综合银包铝粉的电阻、颜色、反应性以及松装密度,以方案(7)为最佳方案。3.3影响因素3.3.1硫酸铜浓度对银包铝粉电阻的影响按方案(7)进行铝粉包覆实验。研究了铝粉的导电性与硫酸铜浓度的关系,如图1所示。由图1可知,反应开始时,电阻随着硫酸铜浓度的增加而显著降低;当硫酸铜的质量浓度增加到50g/L时,电阻降低十分缓慢。而且实验发现,随着硫酸铜浓度的增加,镀铜量增加,所得的银包铝粉颜色变黑。综合颜色和电阻2个因素,硫酸铜质量浓度以50g/L为佳。3.3.2h控制会影响镀层结合力铝粉活性高,不耐强酸也不耐强碱,因此,整个实验过程须严格控制溶液的pH。如pH控制不好,不仅会导致银包铝粉颜色变黑,同时,电阻也会随之增大。实验发现,在镀银时,若在碱性条件下,粉体易变黑、团聚;而在酸性条件下,若酸性太强则会腐蚀基体,释放氢气,这在一定程度上影响了镀层与基体的结合力。因此溶液pH宜为7左右。3.3.3银包铝粉电阻的测定研究了银包铝粉的电阻与银的质量分数的关系,结果如图2所示。由图2可知,银包铝粉的电阻随着银含量的增加而减少,在银含量达到25%时,电阻基本稳定在10mΩ左右。当银含量达到25%