一種等電位立式全浸沒陰極高效連續制備金屬薄膜的方法與流程

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

背景技術：

隨著電子信息產業的飛速發展，具有特殊性能的金屬薄膜在電子工程及微器件等領域得到了廣泛的應用。

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特的優勢，其優點在于：晶粒細小，可達到納米級別；厚度、成分均勻可控；設備簡單，操作方便；經濟效益高。然而目前電沉積法也存在較大的不足，主要表現為鍍液析氫在陰極容易累積，影響產品整體質量；電沉積法制備金屬薄膜的效率低下，生產成本高昂,不能滿足大規模的工業化生產。

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電沉積，兩側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，容易產生氫脆、起泡等問題，影響鍍膜質量；并且在陰極內側采用的絕緣處理長時間在電鍍環境中容易破損脫落，進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，嚴重損害鍍膜質量。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，不利于大規模高效率的制備金屬薄膜。

技術實現要素：

本發明的目的是為了實現高效連續化的制備金屬薄膜，避免環形陰極內側面的沉積問題，解決陰極析氫對鍍膜質量的影響，在保持主鹽離子濃度動態穩定的同時，實現高效低成本的工業化生產。

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

進一步，調節環形帶的相對的兩個內側面之間的距離(a)，使其小于50mm，環形陰極隨傳動輥的轉動方向運動。

進一步，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面同時進行金屬薄膜的電沉積過程，陽極與鍍槽底面垂直，并與陰極的兩外側面呈立體平行的關系。

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

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生氫脆、起泡等一系列的質量問題，而在本發明中，采用金屬閉合環形帶為陰極，該陰極的安裝方式為立式安裝，即環形帶的側面與鍍槽的底面垂直，該環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，不會對陰極鍍層質量造成影響。

2.把陰極浸入到鍍液中，其內側面也將會沉積上金屬薄膜，而內側面薄膜厚度、成分不易控制，并且不能剝離出來形成連續薄膜，對陰極外側薄膜的均勻性、完整性也產生不利影響，為了解決該問題，達到只在陰極外側沉積薄膜的目的，在本發明中，陰極傳動系統由主動端和從動端兩部分組成,環形陰極隨傳動輥的轉動方向運動；掛靠的陽極垂直于鍍槽底面，與環形陰極平行相對。這種結構使得陰極具有隔離外部電場的作用，在陰極內側形成等勢體，而等勢體內部的電場強度處處相等且為零，沒有電場的作用，鍍液主鹽離子將不能在陰極內側面沉積，進而從本質上消除陰極內側的沉積現象；但實際上由于陰陽極間的電場具有邊緣效應，會導致陰極內側面的上下邊緣有部分主鹽離子沉積，通過電沉積實驗，總結出當調節陰極內側面的間距a，使其小于50mm時，可有效解決陰極內側的沉積現象，達到陰極內側自我保護的目的。

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

附圖說明

圖1為本發明提供的高效連續制備金屬薄膜的鍍槽系統示意圖

圖2為電沉積-收卷整體裝置示意圖

圖3為環形陰極示意圖

圖4為陰極立式安裝示意圖

圖5為陰陽極鍍膜系統俯視圖

圖6為陰極俯視圖

具體實施方式

現結合附圖和具體實施例對本發明做詳細說明：

一種等電位立式全浸沒陰極高效連續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為環形陰極內側面，2為環形陰極外側面，3為陰極傳動系統主動端傳動輥，4為陰極傳動系統從動端傳動輥，5為第一陽極系統，6為第二陽極系統，7為環形陰極第一外側面，8為環形陰極第一內側面，9為環形陰極第二內側面，10為環形陰極第二外側面，11為環形陰極，12為鍍槽第一進液孔，13為鍍槽第二進液孔，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，23為進液容納槽，24為中位沉積槽，25為帶液分離槽，26為傳動系統動力電機，27為鍍液，28為集液槽，29為鍍液循環過濾系統。

將配制好的鍍液加入到集液槽中，把環形帶安裝到由從動端和主動端組成的傳動系統上，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相連。將鍍液注入到電鍍槽中，經過進液容納槽、中位沉積槽后經多孔隔板第二卡槽上的狹縫，流入到帶液分離槽，然后鍍液經下方出液孔又進入到集液槽中，形成鍍液的循環過程。同時打開電源，調節陽極電流，開啟傳動電機，設定陰極環形帶的轉速。等電位立式全浸沒陰極在進液容納槽、中位沉積槽部分完全浸沒到鍍液中，經多孔隔板第二卡槽上的狹縫進入帶液分離槽后，環形帶與鍍液分離，當在陰極沉積的金屬薄膜到達主動端傳動輥時，將其剝離，并經張力收卷控制系統纏繞收卷，得到金屬薄膜帶材。

由于電鍍溶液具有一定的腐蝕性，而陰極傳動輥又需要一定的強度，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，傳動輥為強度高、導電性好的不銹鋼材料。

陰極環形帶的松緊程度可調節，使其保持張緊狀態。在等電位立式陰極傳動系統中，其主動端以不銹鋼金屬輥軸作為導電介質，金屬輥軸外側與環形帶內側形成面接觸。主動端金屬傳動輥與電源陰極相連；輥軸下端與電機相連，為陰極傳動系統提供循環動力。

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

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

實施例

本專利提供的制備金屬薄膜的技術,可高效連續的制備各種金屬或合金薄膜，現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行進一步的說明。

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配制電鍍溶液并將其充分攪拌混合，調節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；裝配陰極環形帶，并調節環形帶的張力達到合適大小,調節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，開啟鍍液循環過濾系統,調節鍍液流量為20L/min；

⑷打開電源開關，設置電流密度3.0A/dm²。調節主動端動力電機參數，進行合金薄膜的電鍍過程。

⑸采用本發明的上述技術措施，可制備出連續鐵鎳合金薄膜，鍍膜速率達到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配制電鍍溶液并將其充分攪拌混合均勻；

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；裝配陰極環形帶，并調節環形帶的張力達到合適大小,調節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，開啟鍍液循環過濾系統,調節鍍液流量為15L/min；

⑷打開電源開關，設置電流密度2.5A/dm²。調節主動端動力電機參數，進行金屬薄膜的電鍍過程。

⑸采用本發明的上述技術措施，可制備出連續銅金屬薄膜，鍍膜速率達到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。