本發(fā)明屬于薄膜材料制造領(lǐng)域，尤其涉及一種等電位立式全浸沒陰極高效連續(xù)制備金屬薄膜的方法。

背景技術(shù)：

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，具有特殊性能的金屬薄膜在電子工程及微器件等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

金屬薄膜的制備方法有很多，如軋制、噴射法、雙輥超急冷卻法、電沉積法等。相比于其他方法，采用電沉積法制備金屬薄膜具有獨(dú)特的優(yōu)勢，其優(yōu)點在于：晶粒細(xì)小，可達(dá)到納米級別；厚度、成分均勻可控；設(shè)備簡單，操作方便；經(jīng)濟(jì)效益高。然而目前電沉積法也存在較大的不足，主要表現(xiàn)為鍍液析氫在陰極容易累積，影響產(chǎn)品整體質(zhì)量；電沉積法制備金屬薄膜的效率低下，生產(chǎn)成本高昂,不能滿足大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

中國專利CN100564606C介紹了一種電沉積制備金屬薄膜的方法，然而該方法存在諸多缺陷，電沉積效率較低，整個電鍍過程中，陰極帶只有浸入鍍液的底面能實現(xiàn)電沉積，兩側(cè)及上部都未能有效利用；同時陰極帶底端為水平面，陰極析氫在底面會逐漸累積，容易產(chǎn)生氫脆、起泡等問題，影響鍍膜質(zhì)量；并且在陰極內(nèi)側(cè)采用的絕緣處理長時間在電鍍環(huán)境中容易破損脫落，進(jìn)而影響鍍層剝離的完整性，陰極電連接方式也易劃傷陰極表面，嚴(yán)重?fù)p害鍍膜質(zhì)量。美國專利US20010042686A1采用圓形輥的形式來制備薄膜，該方法也存在析氫累積、電沉積效率低下等一系列的問題，不利于大規(guī)模高效率的制備金屬薄膜。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了實現(xiàn)高效連續(xù)化的制備金屬薄膜，避免環(huán)形陰極內(nèi)側(cè)面的沉積問題，解決陰極析氫對鍍膜質(zhì)量的影響，在保持主鹽離子濃度動態(tài)穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)高效低成本的工業(yè)化生產(chǎn)。

一種等電位立式全浸沒陰極高效連續(xù)制備金屬薄膜的方法，應(yīng)用如下裝置，該裝置包括電鍍槽；集液槽；陰極傳動系統(tǒng)；鍍液循環(huán)過濾系統(tǒng)；電源和張力收卷控制系統(tǒng)；其特征在于，采用的陰極為閉合的環(huán)形金屬帶，該陰極的安裝方式為立式安裝，即環(huán)形帶的側(cè)面與鍍槽的底面呈垂直狀態(tài)；該環(huán)形陰極完全浸入在鍍液中。

進(jìn)一步，調(diào)節(jié)環(huán)形帶的相對的兩個內(nèi)側(cè)面之間的距離(a)，使其小于50mm，環(huán)形陰極隨傳動輥的轉(zhuǎn)動方向運(yùn)動。

進(jìn)一步，該陰極的沉積方式為雙向電沉積，即在陰極的相對的兩個外側(cè)面同時進(jìn)行金屬薄膜的電沉積過程，陽極與鍍槽底面垂直，并與陰極的兩外側(cè)面呈立體平行的關(guān)系。

本發(fā)明提供了一種等電位立式全浸沒陰極高效連續(xù)制備金屬薄膜的方法，采用的技術(shù)原理如下所示:

1.由于采用電沉積的方式制備金屬薄膜，必然伴隨著陰極析氫的過程，析出的氫氣將使薄膜產(chǎn)生氫脆、起泡等一系列的質(zhì)量問題，而在本發(fā)明中，采用金屬閉合環(huán)形帶為陰極，該陰極的安裝方式為立式安裝，即環(huán)形帶的側(cè)面與鍍槽的底面垂直，該環(huán)形陰極完全浸入在鍍液中，這樣的陰極安裝形式可使析出的氣體立即上浮到鍍液表面，完全避免了析出的氣體在陰極的吸附累積，不會對陰極鍍層質(zhì)量造成影響。

2.把陰極浸入到鍍液中，其內(nèi)側(cè)面也將會沉積上金屬薄膜，而內(nèi)側(cè)面薄膜厚度、成分不易控制，并且不能剝離出來形成連續(xù)薄膜，對陰極外側(cè)薄膜的均勻性、完整性也產(chǎn)生不利影響，為了解決該問題，達(dá)到只在陰極外側(cè)沉積薄膜的目的，在本發(fā)明中，陰極傳動系統(tǒng)由主動端和從動端兩部分組成,環(huán)形陰極隨傳動輥的轉(zhuǎn)動方向運(yùn)動；掛靠的陽極垂直于鍍槽底面，與環(huán)形陰極平行相對。這種結(jié)構(gòu)使得陰極具有隔離外部電場的作用，在陰極內(nèi)側(cè)形成等勢體，而等勢體內(nèi)部的電場強(qiáng)度處處相等且為零，沒有電場的作用，鍍液主鹽離子將不能在陰極內(nèi)側(cè)面沉積，進(jìn)而從本質(zhì)上消除陰極內(nèi)側(cè)的沉積現(xiàn)象；但實際上由于陰陽極間的電場具有邊緣效應(yīng)，會導(dǎo)致陰極內(nèi)側(cè)面的上下邊緣有部分主鹽離子沉積，通過電沉積實驗，總結(jié)出當(dāng)調(diào)節(jié)陰極內(nèi)側(cè)面的間距a，使其小于50mm時，可有效解決陰極內(nèi)側(cè)的沉積現(xiàn)象，達(dá)到陰極內(nèi)側(cè)自我保護(hù)的目的。

3.為了充分提高制備薄膜的效率，本發(fā)明的電沉積技術(shù)采用的是雙向電沉積的方式，即在陰極的兩個外側(cè)表面同時進(jìn)行電沉積的過程，與之相對的陽極掛靠在多孔隔板上，與陰極構(gòu)成平行相對的關(guān)系，充分增大了陰極沉積的面積。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的高效連續(xù)制備金屬薄膜的鍍槽系統(tǒng)示意圖

圖2為電沉積-收卷整體裝置示意圖

圖3為環(huán)形陰極示意圖

圖4為陰極立式安裝示意圖

圖5為陰陽極鍍膜系統(tǒng)俯視圖

圖6為陰極俯視圖

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做詳細(xì)說明：

一種等電位立式全浸沒陰極高效連續(xù)制備金屬薄膜的裝置，如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6中所示，1為環(huán)形陰極內(nèi)側(cè)面，2為環(huán)形陰極外側(cè)面，3為陰極傳動系統(tǒng)主動端傳動輥，4為陰極傳動系統(tǒng)從動端傳動輥，5為第一陽極系統(tǒng)，6為第二陽極系統(tǒng)，7為環(huán)形陰極第一外側(cè)面，8為環(huán)形陰極第一內(nèi)側(cè)面，9為環(huán)形陰極第二內(nèi)側(cè)面，10為環(huán)形陰極第二外側(cè)面，11為環(huán)形陰極，12為鍍槽第一進(jìn)液孔，13為鍍槽第二進(jìn)液孔，14為多孔隔板第一卡槽，15為陽極鈦籃，16為多孔隔板，17為鍍槽第一出液孔，18為多孔隔板第二卡槽，19為鍍槽第二出液孔，20為電鍍槽，21為剝離的金屬薄膜，22為張力收卷控制系統(tǒng)，23為進(jìn)液容納槽，24為中位沉積槽，25為帶液分離槽，26為傳動系統(tǒng)動力電機(jī)，27為鍍液，28為集液槽，29為鍍液循環(huán)過濾系統(tǒng)。

將配制好的鍍液加入到集液槽中，把環(huán)形帶安裝到由從動端和主動端組成的傳動系統(tǒng)上，在中位沉積槽中放入多孔隔板，將含有沉積金屬的鈦籃組成的陽極掛靠到隔板上。電源正極與陽極系統(tǒng)相連。將鍍液注入到電鍍槽中，經(jīng)過進(jìn)液容納槽、中位沉積槽后經(jīng)多孔隔板第二卡槽上的狹縫，流入到帶液分離槽，然后鍍液經(jīng)下方出液孔又進(jìn)入到集液槽中，形成鍍液的循環(huán)過程。同時打開電源，調(diào)節(jié)陽極電流，開啟傳動電機(jī)，設(shè)定陰極環(huán)形帶的轉(zhuǎn)速。等電位立式全浸沒陰極在進(jìn)液容納槽、中位沉積槽部分完全浸沒到鍍液中，經(jīng)多孔隔板第二卡槽上的狹縫進(jìn)入帶液分離槽后，環(huán)形帶與鍍液分離，當(dāng)在陰極沉積的金屬薄膜到達(dá)主動端傳動輥時，將其剝離，并經(jīng)張力收卷控制系統(tǒng)纏繞收卷，得到金屬薄膜帶材。

由于電鍍?nèi)芤壕哂幸欢ǖ母g性，而陰極傳動輥又需要一定的強(qiáng)度，因此鍍液中的從動端傳動輥、軸承均為工程塑料制品；主動端軸承為工程塑料制品，傳動輥為強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好的不銹鋼材料。

陰極環(huán)形帶的松緊程度可調(diào)節(jié)，使其保持張緊狀態(tài)。在等電位立式陰極傳動系統(tǒng)中，其主動端以不銹鋼金屬輥軸作為導(dǎo)電介質(zhì)，金屬輥軸外側(cè)與環(huán)形帶內(nèi)側(cè)形成面接觸。主動端金屬傳動輥與電源陰極相連；輥軸下端與電機(jī)相連，為陰極傳動系統(tǒng)提供循環(huán)動力。

陽極系統(tǒng)由鈦籃、沉積金屬、多孔隔板組成。鈦籃外套有陽極袋，防止陽極泥進(jìn)入鍍液。采用多孔隔板為鈦籃提供掛靠位點，在隔板兩端設(shè)計有多個卡槽，隔板放在不同的卡槽位置，陰陽極的間距不同，因此可根據(jù)隔板的卡位來調(diào)節(jié)陰陽極的距離，調(diào)節(jié)范圍可達(dá)10-300mm。

為了滿足陰極等電位立式全浸沒的要求，電鍍槽整體設(shè)計為三個模塊，分別為：進(jìn)液容納槽、中位沉積槽、帶液分離槽。其中帶液分離槽兩側(cè)面均開有狹縫，方便鍍液的循環(huán)流出與環(huán)形帶的出帶收卷，各模塊都開有流液孔，通過導(dǎo)管與集液槽形成鍍液循環(huán)系統(tǒng)。

實施例

本專利提供的制備金屬薄膜的技術(shù),可高效連續(xù)的制備各種金屬或合金薄膜，現(xiàn)以制備鐵鎳合金薄膜和制備銅金屬薄膜的工藝流程為例進(jìn)行進(jìn)一步的說明。

示例1：制備鐵鎳合金薄膜

鍍液組成：

硫酸鎳85g/L，硼酸40g/L，氯化鈉30g/L，檸檬酸鈉13g/L，硫酸亞鐵15g/L，抗壞血酸4g/L，十二烷基硫酸鈉0.2g/L，苯亞磺酸鈉0.3g/L，丁炔二醇0.4g/L，糖精2g/L。

工藝步驟：

⑴配制電鍍?nèi)芤翰⑵涑浞謹(jǐn)嚢杌旌?，調(diào)節(jié)pH為2.6；

⑵將裝有鐵、鎳顆粒的鈦籃掛靠到多孔隔板上，形成陽極系統(tǒng)；裝配陰極環(huán)形帶，并調(diào)節(jié)環(huán)形帶的張力達(dá)到合適大小,調(diào)節(jié)隔板位置使陰陽極間距為35mm；

⑶將鍍液加入到集液槽中，溫度加熱到50℃后，開啟鍍液循環(huán)過濾系統(tǒng),調(diào)節(jié)鍍液流量為20L/min；

⑷打開電源開關(guān)，設(shè)置電流密度3.0A/dm²。調(diào)節(jié)主動端動力電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行合金薄膜的電鍍過程。

⑸采用本發(fā)明的上述技術(shù)措施，可制備出連續(xù)鐵鎳合金薄膜，鍍膜速率達(dá)到3m/h，膜厚為14μm，薄膜寬度為80mm，并且薄膜厚度均勻，表面光亮平整。

示例2：制備銅金屬薄膜

鍍液組成：

硫酸銅200g/L,硫酸55g/L,四氫噻唑硫銅0.001g/L，苯基聚二硫丙烷磺酸鈉0.02g/L，聚乙二醇0.05g/L，十二烷基硫酸鈉0.2g/L。

工藝步驟：

⑴配制電鍍?nèi)芤翰⑵涑浞謹(jǐn)嚢杌旌暇鶆颍?/p>

⑵將含磷0.1％-0.3％的磷銅顆粒加入到鈦籃中并掛靠到多孔隔板上，形成陽極系統(tǒng)；裝配陰極環(huán)形帶，并調(diào)節(jié)環(huán)形帶的張力達(dá)到合適大小,調(diào)節(jié)隔板位置使陰陽極間距為30mm；

⑶將鍍液加入到集液槽中，溫度加熱到25℃后，開啟鍍液循環(huán)過濾系統(tǒng),調(diào)節(jié)鍍液流量為15L/min；

⑷打開電源開關(guān)，設(shè)置電流密度2.5A/dm²。調(diào)節(jié)主動端動力電機(jī)參數(shù)，進(jìn)行金屬薄膜的電鍍過程。

⑸采用本發(fā)明的上述技術(shù)措施，可制備出連續(xù)銅金屬薄膜，鍍膜速率達(dá)到2m/h，膜厚為12μm，薄膜寬度為80mm，并且薄膜厚度均勻，表面光亮平整。