銀包鋁粉實(shí)驗(yàn)方案的研究

銀包鋁粉實(shí)驗(yàn)方案的研究

1導(dǎo)電材料的研究由于其份積小、延長快、金屬光澤好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，鋁被廣泛應(yīng)用于電子、航空和電子砂漿等領(lǐng)域。但是鋁粉表面活性大,極不穩(wěn)定,易與空氣發(fā)生氧化還原反應(yīng),以致失去其本身的優(yōu)點(diǎn)。因此,在應(yīng)用中,須對其進(jìn)行表面處理。使得處理后的鋁粉既保持本身的密度輕,金屬光澤好的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具有良好的導(dǎo)電性。銀是貴金屬,與鋁的顏色相近,且其導(dǎo)電性優(yōu)良,若在鋁粉上包覆一層均勻而薄的銀,在保持鋁粉自身優(yōu)勢的同時(shí),賦予鋁粉良好的導(dǎo)電性,同時(shí)也大大降低了成本,所得產(chǎn)品可用于電磁屏蔽、導(dǎo)電漿料等領(lǐng)域。目前,用于這些領(lǐng)域的材料主要有如下幾種:銅粉、鎳粉、金粉、銀粉以及金屬混合粉。就以上各種導(dǎo)電粉體而言,銅粉價(jià)格便宜,成本低,但在制作過程中容易氧化,連接導(dǎo)電性不好,且不穩(wěn)定;鎳粉的性能與銅粉大體相似;金導(dǎo)電膠性能穩(wěn)定、電阻率低,但價(jià)格貴,不適宜在工業(yè)中廣泛應(yīng)用;銀導(dǎo)電膠綜合性能比較好,在電子制造工業(yè)中應(yīng)用成本偏高,有銀遷移的缺陷。表面包覆粒子可以在一定程度上克服以上問題,因而成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。目前,我國研究應(yīng)用較多的主要包覆離子有銀包銅粉、銀包鎳、銀包玻璃微珠等,但是這些離子普遍存在密度大、顏色深等缺點(diǎn)。而本課題所研究的銀包鋁粉密度輕、所得漿料清,是電磁屏蔽以及導(dǎo)電漿料等的理想材料。因?yàn)檎n題難度較大,目前在我國還沒有對其進(jìn)行具體的研究。2試驗(yàn)部分2.1中溫浸鎳—研究方案根據(jù)鋁的性質(zhì)以及文獻(xiàn)報(bào)道確定了以下8種工藝方案:(1)堿洗—鍍銀;(2)堿洗—中溫浸銅—置換法鍍銀;(3)堿洗—中溫浸鎳—置換法鍍銀;(4)堿洗—稀鹽酸活化—化學(xué)法鍍銀;(5)堿洗—稀鹽酸活化—置換法鍍銀;(6)堿洗—稀鹽酸活化—鍍鋅—置換法鍍銀;(7)堿洗—稀鹽酸活化—酸性鍍銅—置換法鍍銀;(8)堿洗—稀鹽酸活化—特殊鍍鎳—置換法鍍銀。2.2不同的工藝和配方各工藝預(yù)處理溶液配方如表1所示。3結(jié)果與討論3.1納米粉體的活化及在鍍層中的應(yīng)用方案(1)中,銀不發(fā)生反應(yīng)。由Gibbs理論可知,銀與鋁的電位相差較大,它們之間的反應(yīng)很容易進(jìn)行。但是,直接在鋁上包銀是行不通的。因?yàn)樵趯Ψ垠w進(jìn)行包覆時(shí),除了要考慮理論上的可行性外,還需考慮實(shí)際操作的可行性。在實(shí)際操作中,粉體的活性是首先要考慮的問題,其次是基體與鍍層的結(jié)合力。由碰撞理論可知,只有活性分子或離子的碰撞才能發(fā)生反應(yīng)。而實(shí)驗(yàn)所使用的粉,由于在制備、包裝和運(yùn)輸過程中,難免會(huì)混入雜質(zhì),同時(shí),存在不同程度的氧化,故實(shí)驗(yàn)所使用的鋁粉都是活性減弱或者是失去活性的。所以,在前處理過程中賦予粉體活性尤為重要。在包覆非金屬的前處理過程中,需要用活化液將粉體進(jìn)行活化后才能對粉體做包覆處理。鑒于此,在對金屬包覆前的處理中,也需要活化粉體。大量文獻(xiàn)表明,在對金屬包覆前,先對金屬進(jìn)行酸洗,使粉體表面活化,并產(chǎn)生弱腐蝕作用,使之露出金屬的結(jié)晶組織,以便增強(qiáng)鍍層與基體金屬的結(jié)合力。由于在方案(1)中,沒有對粉體賦予活化,后續(xù)過程就難以進(jìn)行。在方案(2)、(3)中,由于浸銅液和浸鎳液是弱酸性的,其pH在3～4之間,而且浸銅、浸鎳的時(shí)間較長,溫度也較高,因此,對粉體會(huì)有一定程度的活化。但是,其活化程度不高,且不均勻,隨機(jī)性較強(qiáng)。因此,在后續(xù)的鍍銀工藝中進(jìn)展緩慢,并導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的重現(xiàn)性差,結(jié)果不穩(wěn)定,所得的銀包鋁粉的電阻在20mΩ到10Ω之間。在方案(4)中,在經(jīng)過稀鹽酸活化后,鋁粉的活性高,易與酸或堿反應(yīng),而化學(xué)鍍銀液的pH一般較高,因此,鍍層中往往含有大量的氫,導(dǎo)致結(jié)合力不好。按方案(5),在實(shí)驗(yàn)過程中就能看見在溶液表面漂浮著一層銀,說明了銀和鋁的結(jié)合力不好。由于鋁是一種活潑金屬,電極電位很負(fù)(E=-1.67V),在空氣中極易氧化,形成氧化膜后E=-0.5V。而且鋁比絕大多數(shù)金屬的膨脹系數(shù)大,如常溫下鋁的膨脹系數(shù)為2.4×10-4,銅為1.67×10-5,而銀為0.6×10-5,故鋁粉中的包覆金屬鍍層易脫落,給鋁及鋁合金電鍍帶來很多困難。而且,金屬細(xì)化成粉末后,由于表面發(fā)生了大的變化,導(dǎo)致性質(zhì)也發(fā)生了較大的變化,例如,納米粉體具有特殊的化學(xué)效應(yīng)、磁化效應(yīng)、電子隧道效應(yīng)等等。至于鋁本是很好的導(dǎo)電體,但是當(dāng)細(xì)化為粉末時(shí),就不導(dǎo)電(目前,還沒有具體關(guān)于鋁粉不導(dǎo)電原因的報(bào)道)。其次,鋁是兩性物質(zhì),既不耐酸也不耐堿,給包鋁的操作條件如pH、溫度以及絡(luò)合劑的選擇帶來了一定的困難。因此,在方案(6)、(7)、(8)中,分別對鋅、銅、鎳作中間層進(jìn)行了研究。方案(6)中,由于鍍鋅時(shí)鋁粉團(tuán)聚較為厲害,后續(xù)工藝也難以進(jìn)行;方案(7)中,在鍍銅的時(shí)候,鋁粉表面反應(yīng)比較均勻,包覆了一層薄而均勻的銅,后續(xù)工序進(jìn)行也比較順利,所得的銀包鋁在顏色和導(dǎo)電性上都比較滿意;方案(8)中,由于在包覆鎳的過程中,鋁粉變黑,導(dǎo)致所得銀包鋁粉顏色較黑。8種實(shí)驗(yàn)方案比較如表2所示。由表2得知,綜合銀包鋁粉的電阻、顏色、反應(yīng)性以及松裝密度,以方案(7)為最佳方案。3.3影響因素3.3.1硫酸銅濃度對銀包鋁粉電阻的影響按方案(7)進(jìn)行鋁粉包覆實(shí)驗(yàn)。研究了鋁粉的導(dǎo)電性與硫酸銅濃度的關(guān)系,如圖1所示。由圖1可知,反應(yīng)開始時(shí),電阻隨著硫酸銅濃度的增加而顯著降低;當(dāng)硫酸銅的質(zhì)量濃度增加到50g/L時(shí),電阻降低十分緩慢。而且實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著硫酸銅濃度的增加,鍍銅量增加,所得的銀包鋁粉顏色變黑。綜合顏色和電阻2個(gè)因素,硫酸銅質(zhì)量濃度以50g/L為佳。3.3.2h控制會(huì)影響鍍層結(jié)合力鋁粉活性高,不耐強(qiáng)酸也不耐強(qiáng)堿,因此,整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程須嚴(yán)格控制溶液的pH。如pH控制不好,不僅會(huì)導(dǎo)致銀包鋁粉顏色變黑,同時(shí),電阻也會(huì)隨之增大。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在鍍銀時(shí),若在堿性條件下,粉體易變黑、團(tuán)聚;而在酸性條件下,若酸性太強(qiáng)則會(huì)腐蝕基體,釋放氫氣,這在一定程度上影響了鍍層與基體的結(jié)合力。因此溶液pH宜為7左右。3.3.3銀包鋁粉電阻的測定研究了銀包鋁粉的電阻與銀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,銀包鋁粉的電阻隨著銀含量的增加而減少,在銀含量達(dá)到25%時(shí),電阻基本穩(wěn)定在10mΩ左右。當(dāng)銀含量達(dá)到25%