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    探究激光輻照處理對氧化鋁陶瓷基板進行化學鍍前預處理的特點

    發布日期:2014年10月27日

    氧化鋁陶瓷表面金屬化可以使陶瓷與金屬連接起來制成復合基板,結合了陶瓷材料優良的力學性能以及金屬材料優異的導熱、導電性能,是電真空陶瓷器件生產的關鍵技術。在氧化鋁陶瓷金屬化過程中經常遇到如下問題:金屬化強度偏低、膜層結合力差、致密度低、金屬化面透光、易氧化等。這些不僅導致成品率減低,而且影響產品質量,因此不斷研究提高金屬化工藝水平,對于提高產品質量、促進真空電子器件的發展至關重要。

    目前,陶瓷金屬化的方法主要有化學鍍法、電鍍法、高溫燒結被Ag(Ni)法、Mo-Mn燒結法、真空蒸發鍍膜法和真空濺射鍍膜法。其中化學鍍是陶瓷金屬化較為常見的方法之一。因氧化鋁陶瓷表面不具備催化活性,工業生產中,一般需要進行含貴金屬的催化活化處理,但是含有貴金屬Pd等元素,工藝復雜,并帶來一定程度的污染。因此,研究以非貴金屬活化代替貴金屬活化工藝具有非常廣闊的研究前景。國內外對非貴金屬活化工藝已做了較多研究,例如,利用殼聚糖在ABS塑料表面固定納米級Ni粒子,作為自催化劑成功實現了化學鍍Au,Ni。也有報道,采用NiAc2(60g/L)和NaH2PO2(60g/L)的乙醇混合溶液為活化液,經110℃到230℃下的熱氧化還原反應對含70%體積分數SiC的鋁基復合材料表面進行了活化,并通過化學鍍鎳獲得了良好的鍍層。Yutaka等在ABS樹脂表面依次氣相沉積了10nm的碳層和20nm的鋅層的活化層,并通過化學鍍鎳獲得了良好的鍍層。通過引進氣相沉積、離子注入、激光輻射和超聲波等先進的設備和手段來探索新的活化工藝也成為研究的熱點問題。本課題組前期采用一定量的酸和鹽的水溶液為活化液的非貴金屬活化預處理,成功制備了Ni包覆Cr3C2和Ni包覆WC復合粉體。

    本文采用激光輻照處理對氧化鋁陶瓷基板進行化學鍍前預處理使陶瓷基板表面自身產生缺陷(化學鍍銅形核中心),通過超聲波輔助化學鍍方法在氧化鋁陶瓷基板表面生長化學鍍銅層,與Pd活化預處理化學鍍銅進行對比實驗,且研究探討化學鍍銅層生長過程。

    1實驗材料及方法

    實驗樣品為95%的Al2O3陶瓷片,試樣大小為20mm×20mm×4mm。實驗用的激光輻照系統為JHM-1GY-300B脈沖激光器。將樣品置于不銹鋼工作平臺之上,位于激光光斑中心,并處于離焦位置,激光波長1.064μm,光班直徑0.8mm,輻照時間分別為1min,對整個試樣進行面掃描,激光輻照實驗在室溫、空氣中進行。輻照完成后試樣待鍍。作為對比實驗,傳統工藝的實驗內容如下:試樣在HNO3(250~300mL/L)和H2O2(30~40mL/L)水溶液中腐蝕30min之后,洗凈浸入敏化液((SnCl2(30g/L),鹽酸(60mL/L))和活化液(鹽酸(60mL/L)和PdCl2(0.5g/L),在室溫(25℃)各處理30min。激光輻照處理后和Pd活化處理后試樣通過在60℃恒溫下,超聲波輔助化學鍍處理,化學鍍鍍液組分見表1所示,用NaOH調節鍍液中的pH值為9~11。化學鍍過程約為50min,化學鍍結束后,用去離子水清洗氧化鋁陶瓷試樣,于120℃烘干2h。通過高分辨冷場發射掃描電子顯微鏡(FE-SEM),能譜分析儀(EDS)對試樣激光輻照預處理前后和化學鍍后的表面與截面形貌,劃痕及成分進行分析,探討了化學鍍銅層生長過程,同時也對傳統工藝所得化學鍍層的表面形貌進行了對比。

    2實驗結果和分析

    一般的陶瓷材料在化學鍍之前,首先要經過粗化、敏化和活化等預處理,而本論文利用激光輻照處理替代傳統的貴金屬活化處理對氧化鋁陶瓷基板作為表面預處理。

    圖1為氧化鋁陶瓷基板激光輻照預處理前后的SEM形貌。圖1(a)為氧化鋁陶瓷基板激光輻照預處理前的SEM形貌,由圖可見,預處理前陶瓷基板數個陶瓷顆粒組成,陶瓷顆粒為多角形。圖1(b)為氧化鋁陶瓷基板激光輻照預處理后的SEM形貌,可見預處理后粉體仍為多角形顆粒,但部分顆粒已經融合,形成了在激光輻照過程中產生的新表面。圖1(c)和1(d)分別為圖1(a)和1(b)的局部放大SEM形貌。由圖1(d)可見,激光輻照預處理后,氧化鋁陶瓷基板表面可見大量的微孔和納米級顆粒凸起,同時,與原始的陶瓷基板表面(圖1c)對比發現,表面粗糙度顯著增加。這是由于在高能量密度激光輻照加熱下,陶瓷基板表面層發生熔化并快速凝固,改變了陶瓷表面原組織結構,形成凹凸不平的陶瓷表面,改變了陶瓷表面的粗糙度。納米級顆粒組成的陶瓷表面將為后續化學鍍銅提供形核中心,同時,這種具有微孔型結合的納米級顆粒將有利于化學鍍銅層與陶瓷表面之間結合,進而形成化學鍍所需要的“納米鎖扣效應”。
    表1 化學鍍鍍液成分
    圖1 氧化鋁陶瓷基板激光輻照預處理前后的SEM 形貌
    圖2 激光輻照處理后氧化鋁陶瓷基板表面化學鍍銅層
    圖3 傳統Pd 活化預處理后氧化鋁陶瓷基板表面化學鍍銅層SEM 形貌
    圖4 激光輻照處理后氧化鋁陶瓷基板表面化學鍍銅層截面SEM 形貌照片
    圖5 激光輻照處理后氧化鋁陶瓷基板表面化學鍍銅層劃痕SEM 形貌照片
     

    圖2為激光輻照處理后氧化鋁陶瓷基板表面化

    學鍍銅層SEM不同倍數形貌照片,由圖2(a)可見,鍍銅層均勻沉積在氧化鋁陶瓷基板表面,鍍銅層表面未見孔隙或裂紋,鍍層融合致密(如圖2a箭頭A所示),但存在部分的銅顆粒彌散分布(如圖3a箭頭B所示)。更高倍數下(如圖2b)發現,鍍銅層表面主要呈胞狀的亞微米級銅顆粒,顆粒與顆粒之間已經完全融合,不存在明顯的間隙,而這種胞狀的結構主要是因為顆粒從溶液中沉積在材料表面缺陷處,形成形核中心然后長大互相融合的結果。為了更好的研究分析激光輻照預處理對化學鍍銅層質量的影響,本文采用傳統的貴金屬Pd活化預處理作為對比實驗。圖3為傳統Pd活化預處理后氧化鋁陶瓷基板利用相同化學鍍銅工藝的表面化學鍍銅層SEM不同倍數形貌照片,由圖3(a)可見,鍍銅層表面除了存在部分的銅顆粒,還有較為明顯的孔洞(如圖3a箭頭所示)。與激光輻照處理后SEM形貌對比發現,激光輻照后鍍銅層組織更為致密,顆粒與顆粒之間融合更好,Pd活化預處理后鍍銅層未見銅顆粒之間的完全融合(如圖3b所示)。

    一般的表面化學鍍過程與被鍍表面的催化能力有關,而催化能力可以用其活性大小表示(活性大小即為單位時間內在單位表面積催化劑上催化產物的質量)。固體表面的活性大小與固體表面的活性中心的數量有關,一般為表面缺陷,比如邊緣、臺階以及吸附質島的邊緣等某些配位不飽和的表面原子或原子基團,這些部位易于吸附外來物質成鍵。常規化學鍍包覆表面沒有催化活性的基底表面,采用敏化、活化等預處理,目的就是在不具備催化活性表面附著Pd元素微顆粒,使表面易于吸附外來物質成鍵,實現化學鍍沉積過程。而本文認為,激光輻照處理后陶瓷基板表面產生了大量的微孔和納米級顆粒凸起,亦稱為表面缺陷(如圖1(d)所示),這些表面缺陷部位易于吸附外來物質成鍵,實現化學鍍銅過程。圖4為激光輻照處理后氧化鋁陶瓷基板表面化學鍍銅層截面SEM形貌照片,由圖4可見,化學鍍銅層均勻致密,鍍層與基體表面結合良好,鍍層與基體界面結合處未見孔洞和裂紋等缺陷。同時激光輻照處理后陶瓷基板表面產生的微孔和納米級顆粒凸起(如圖1d所示),增強了化學鍍所需要的“鎖扣效應”,提高鍍層與基體結合。能譜顯示斷口鍍層主要是Cu,Al,O等元素,無其他雜質相。

    將上述激光輻照處理后的氧化鋁陶瓷基板鍍銅試樣進行劃痕測試分析。圖5(a)為低倍下表面鍍層的劃痕形貌,其劃痕平直,表面均勻,劃痕兩側無明顯的鍍層剝離。為了更好分析鍍層與基底的結合狀態。實驗過程中,手工在中間部分施加最大的作用力刺穿鍍層;圖5(b)為高倍下鍍層脫落部分,可以看出其鍍層發生了一定的塑性變形,沒有脆性撕裂產生,同時鍍層與基地之間沒有發生起皮,毛刺,裂紋等現象,鍍層和基底之間有較好的結合力強度。

    3結論

    1)激光輻照處理后陶瓷基板表面產生了大量的微孔和納米級顆粒凸起,亦稱為表面缺陷,這些表面缺陷部位易于吸附外來物質成鍵,實現化學鍍銅過程;

    2)采用激光輻照處理對氧化鋁陶瓷基板進行化學鍍前預處理,通過超聲波輔助化學鍍在氧化鋁陶瓷基板表面成功制備了化學鍍銅層,鍍層與基底也有較好的結合力,與傳統的活化敏化對比,其表面更加均勻致密。

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