CN112458506B - 一种金属基材电镀液 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Co‑Fe二元合金电镀液,所述镀液中采用醋酸‑醋酸钠缓冲体系取代硼酸缓冲液,能够有效的维持pH=3.70±0.02,并通过在电镀液中添加失水山梨醇单月桂酸酯,并复配蓝光藏红花和苄叉丙酮,通过相互的协同增效作用,有效的避免了在镀层超过50微米厚度时,出现的镀层不平整现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基材电镀液,尤其涉及如何改善钴铁二元合金镀层平整性,属于电镀合金领域。
背景技术
随着电子设备小型化、高频化的不断发展,应用于电磁器件的高频软磁材料成为一个十分活跃的研究领域。而磁性薄膜是当前高新技术新材料开发中最活跃的领域。厚度从几纳米到几十微米且具有磁性的功能材料称为磁性薄膜材料,随着电子元器件向微型化、集成化、高频化方向发展,迫切要求开发出能在微波频率下仍具有高品质因数的磁性薄膜。
传统的软磁材料包括硅钢片、坡莫合金、电工软铁,以及近几年新兴的非晶、纳米晶合 金薄带,但是这些材料都存在一些缺点。虽然这些材料能够满足软磁方面的性能,但是使用上存在缺陷,成本高,不易制成厚度小于20微米以下的薄膜,另外有的设备庞大且成本昂贵、操作复杂、条件苛刻。而FeCo合金作为软磁材料具有一系列优异的磁性能,如高饱和磁化强度、高起始磁导率和最大磁导率、磁滞伸缩小、居里温度高等。而理论和实验更加表明,Co(Fe)基软磁性薄膜在获得高微波磁导率方面优于其它磁性薄膜,因此在集成化微磁器件、磁头材料、抗电磁干扰材料、微波吸波材料研究和应用中受到越来越多的重视。
虽然FeCo为优良的软磁材料,但是存在如下技术问题(1)镀层的厚度通常较薄,如CN201010196022公开了一种Fe-Co磁性合金镀层碳纤维及其制备方法和应用。以高纯金属板为阳极,高温、强酸氧化后的连续碳纤维为阴极,铁和钴的硫酸盐作为主盐。其制备方法是在恒温电磁搅拌条件下进行电镀,镀层厚度通过施镀温度和时间来控制。本发明提供的磁性碳纤维具有均匀、致密的磁性镀层,镀层厚度约为0.5-1.5μm,磁性镀层成分为Co3Fe7。该磁性碳纤维的制备工艺简单,生产效率高,磁性能优异,有望作为具有高力学性能、低密度的新型吸波材料,即在较低的厚度范围内,镀层能保持致密,平整,但如果增加镀层厚度,会出现明显的镀层粗糙度上升,镀层的平整度下降的技术问题。
发明内容
基于上述技术问题,本发明提供一种工艺简单、成本低、高厚度、高平整钴铁软磁镀层,能够有效的消除因镀层厚度上升所引起的表面不平整的技术问题。
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O(281): X mol,X=0.1-0.4;
铁盐:FeSO4 .7H2O(278):0.5-X mol;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 5-7 g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.5-1g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花1-1.5g/L;所述苄叉丙酮1.5-2g/L;
络合剂:柠檬酸钠
余量为去离子水。
进一步的,所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
进一步的,所述电镀液的电镀参数:温度20-30oC,时间60-120min,电流密度20-30mA/cm2。
进一步的,镀层的粗糙度为0.4-0.5μm,相对整平度为63.2-69.3%。
进一步的,镀层的沉积速度小于1μm/min。
进一步的,所述镀层厚度>50μm,且小于100μm。
进一步的,电镀液中Fe的摩尔分数与镀层中Fe的摩尔分数的误差率大于15%。
进一步的,镀层中CoFed的平均颗粒尺寸为10-20nm。
进一步的,镀层为磁性镀层,速速镀层的矫顽力Hc为8-30Oe。
进一步的,待镀的基材为金属基材。
关于本发明电镀液:
(1)主盐:钴盐选择为CoSO4 .7H2O,浓镀为0.1-0.4;铁盐:FeSO4 .7H2O为0.1-0.4mol,保持金属浓度为0.5M,降低主盐的浓度有利于提高镀层的晶粒尺寸、沉积平整度,调节钴和铁的相对比例,主要是改善薄膜磁性,以及避免金属异常沉积的技术问题,这里不是本发明的研究重点,因此不做详述。
(2)缓冲剂:醋酸-醋酸钠缓冲体系,现有技术中主要采用的是硼酸作为缓冲液,硼酸类似于磷酸,通过三个氢离子的释放速度,控制溶液的pH值,具有一定的限制性,也有理论认为(参见电镀手册的相关理论)硼酸的缓冲作用不是在溶液体本身,而是在双电层中其缓冲作用,不管作用机理如何,在电镀过程中,pH会升高,需要具有良好缓冲效果的缓冲体系,
而本申请首次提出使用醋酸-醋酸钠作为Co-Fe缓冲体系,所述缓冲体系在HAc-NaAc缓冲溶液中存在下列平衡:HAc=H++Ac-;NaAc=Na++Ac-由于同离子效应,体系中存在着大量的HAc和Ac-。当外加入少量酸时,醋酸解离平衡逆向移动,Ac-的量减少,Ac-即为抗酸成分。当外加入少量碱时,醋酸解离平衡正向移动,HAc的量减少,HAc即为抗碱成分。当加水稀释时,一方面降低了H+的浓度,另一方面由于HAc的解离度增大和同离子效应的减弱,又使平衡向右移动补充H+,从而溶液的pH也几乎没有变化,缓冲液体系为pH3.7,
制备过程如下:pH3.7:取无水醋酸钠20g,加水300ml溶解后,加溴酚蓝指示剂3ml冰醋酸60-80ml,至溶液从蓝色转变为纯绿色,在加水稀释至1000ml,再加入适量的柠檬酸钠,控制pH=3.70±0.02。
(3)导电盐:提高镀液的导电率。
(4)表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,表面活性剂的添加是本发明提高Co-Fe二元合金的第一个因素,如果不添加表面活性剂,镀层表面会出现麻点和凹陷,而加入表面活性剂后,Co-Fe镀层逐渐趋于平整,主要原因是由于在Co-Fe电沉积过程中由于沉积电位或电流密度的不均匀分散,会形成凹凸起伏,在有表面活性剂存在的条件下,显著增加镀液的极化作用增强,降低了镀层表面凸起的沉积速度,而表面活性剂的润湿作用也促进镀液在凹陷处的浸润,结晶的活性位点增加,金属的沉积速度增加,随着电沉积过程的不断增加,基体表面的凹陷处被填平,凸起处被削弱,而获得整平效果,所述失水山梨醇单月桂酸酯的适用范围应当适量,否则过犹不及,控制为0.5-1g/L范围内,此外,表面活性剂降低镀层的表面张力和固液界面自由能,镀液能够更好的与基材接触,减小了微观氢气泡脱附镀层的临界尺寸,有利于提高厚镀层的平整效果。
(5)复合整平剂:本发明使用的整平剂为蓝光藏红花和苄叉丙酮,其中蓝光藏红花的结构式如下:
所述添加剂均有C=N结构,并且连接有较大的共轭结构,为含氮带正电的化合物,在PH3.70±0.02酸性溶液中带有很强的正电性,易吸附在阴极,与Co离子和Fe离子产生竞争反应,阻碍金属离子的沉积,而苄叉丙酮中含有C=O,这些官能团的结构决定了复合整平剂的吸附强度,所述结构中未共用电子对填充在金属的空轨道中,实现与基材的继续作用,通常所述复配的添加剂为含硫分子,所述分子具有极强的吸附特性,通常为硫脲,而苄叉丙酮中含有C=O的分子吸附并不强,但苄叉丙酮在于蓝光藏红花这类高富含环状结构的整平剂使用时,通过其中的羰基与苯环等结构的共轭,却能显示较强的吸附也行,即苄叉丙酮与蓝光藏红花的环状结构共轭,而蓝光藏红花正电C=N又有极强的阴极吸附力,因此达到镀层的强吸附特性。
络合剂:柠檬酸钠,络合金属离子,避免强烈的异常金属沉积行为,而导致镀液与镀层的金属组分产生强烈差异。
有益技术效果:
(1)首次提出在钴铁合金镀液中使用醋酸-醋酸钠缓冲体系取代硼酸缓冲液,能够有效的维持pH=3.70±0.02;
(2)通过在电镀液中添加失水山梨醇单月桂酸酯,并复配蓝光藏红花和苄叉丙酮,通过相互的协同增效作用,有效的避免了在镀层超过50微米厚度时,出现的镀层不平整现象。
附图说明
图1是本发明实施例2镀层的AFM图。
图2是本发明对比例2镀层的AFM图。
图3是本发明对比例3镀层的AFM图。
图4是本发明对比例4镀层的AFM图。
图5是本发明对比例5镀层的AFM图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明,本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.1 mol;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.4 mol;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 5 g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.5g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花1g/L;所述苄叉丙酮1.5g/L;
络合剂:柠檬酸钠2g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度20oC,时间60min,电流密度20mA/cm2。
实施例2
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.75g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花1.25g/L;所述苄叉丙酮1.75g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为S-2。
实施例3
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.4mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.1 mol;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 7 g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯, 1g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花 1.5g/L;所述苄叉丙酮2g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.5g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度 30oC,时间 120min,电流密度 30mA/cm2。
对比例1
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为D-1。
对比例2
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花1.25g/L;所述苄叉丙酮1.75g/L;
络合剂:2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为D-2。
对比例3
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.75g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为D-3。
对比例4
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.75g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花,所述蓝光藏红花1.25g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为D-4。
对比例5
一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: 0.25mol/L;
铁盐:FeSO4 .7H2O:0.25 mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 6g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.75g/L;
复合整平剂:苄叉丙酮,所述苄叉丙酮1.75g/L;
络合剂:柠檬酸钠2.3g/L
余量为去离子水。
所述pH=3.70±0.02,由所述镀液获得的二元合金镀层均有极高的平整度。
所述电镀液的电镀参数:温度25oC,时间90min,电流密度25mA/cm2。
命名为D-5。
首先,相对整平度的计算公式如下:相对整平度=(基材粗糙度-镀层粗糙度)/基材粗糙度,所述基材为金属基材,粗糙度大约为1.3,本领域技术人员知晓的,当镀层越低是,其镀层的平整度与基材的粗糙度密切相关,随着镀层的起伏和发生电镀,即平整度一般由基材绝对,基材的粗糙度越低,其镀层的各向均匀性好,镀层平整度高,当镀层厚度,尤其本申请的钴铁合金镀层的厚度大于50μm时,会出现明显的平整度下降,因此急需使用某些添加剂进行改善。
如上表所示,本发明实施例2,S-2所示,在同时添加表面活性剂、蓝光藏红花和苄叉丙酮的条件下,镀层的粗糙度明显细化,如附图1所示,在厚度为82.3μm时,平整度高,粗糙度为0.43微米,整平效果为0.675,相比而言,在不添加添加表面活性剂、蓝光藏红花和苄叉丙酮的条件下,D-1的粗糙度8.32μm,相对整平度-5.303,即与现有技术相符,整平效果极差。
如附图2所示,在D-2样品不添加表面活性剂,
如附图3所示,在D-3样品不添加复合整平剂,
如附图4所示,在D-4样品仅含有藏红花,
如附图5所示,在D-5样品仅含有苄叉丙酮,
可以明显直观的看出添加剂对镀层粗糙度和平整度的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种金属基材电镀液,其特征在于电镀液由以下成分组成:
钴盐:CoSO4 .7H2O: X mol/L,X=0.1-0.4;
铁盐:FeSO4 .7H2O: 0.5-X mol/L;
醋酸-醋酸钠缓冲体系;
导电盐:NaCl 5-7 g/L;
表面活性剂:失水山梨醇单月桂酸酯,0.5-1g/L;
复合整平剂:蓝光藏红花和苄叉丙酮,所述蓝光藏红花1-1.5g/L;所述苄叉丙酮1.5-2g/L;
络合剂:柠檬酸钠2-2.5g/L;
余量为去离子水,
电镀液待镀的基材为金属基材,
电镀液的电镀参数:温度20-30℃,时间60-120min,电流密度20-30mA/cm2,pH=3.70±0.02。
2.如权利要求1所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述电镀液获得镀层的粗糙度为0.4-0.5μm,相对整平度为63.2-69.3%。
3.如权利要求2所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述镀层的沉积速度小于1μm/min。
4.如权利要求2所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述镀层厚度>50μm,且小于100μm。
5.如权利要求1所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述电镀液中Fe的摩尔分数与镀层中Fe的摩尔分数的误差率大于15%。
6.如权利要求2所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述镀层中CoFe的平均颗粒尺寸为10-20nm。
7.如权利要求2所述的一种金属基材电镀液,其特征在于所述镀层为磁性镀层,镀层的矫顽力Hc为8-30Oe。
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